延长Flash存储器使用寿命的研究

发布时间:2010-2-1 11:38    发布者:李宽
关键词: Flash , 存储器 , 使用寿命 , 研究
引言

随着嵌入式系统在数码相机、数字摄像机、移动电话、MP3音乐播放器等移动设备中越来越广泛的应用,Flash存储器已经逐步取代其他半导体存储元件,成为嵌入式系统中主要数据和程序载体。Flash存储器又称闪存,是一种可在线多次擦除的非易失性存储器NVM(Non-Volatile Memo-ry),即掉电后数据不会丢失。Flash存储器还具有体积小、功耗低、抗振性强等优点,是嵌入式系统的首选存储设备。

世面上常用的Flash存储设备有两种:NOR Flash和NAND Flash。根据存储容量,NOR一般为1~16 MB,而NAND为8~512 MB,现在的大容量NAND已经可以达到4 GB;读取速度NOR较NAND快,写入速度NOR比NAND慢一些;擦除速度NOR需要2~5 s,而NAND仅仅需要2~5 ms;NAND的价格比NOR低很多。由于种种原因,较常用的是NAND Flash。但是由于NANDFlash的工艺不能保证NAND的存储阵列(memory ar-ray)在其生命周期中保持性能的可靠,因此,在NAND的生产中及使用过程中会产生坏块。其表现是:当编程/擦除这个块时,不能将某些位拉高,这会造成页编程(page program)和块擦除(block erase)操作时的错误;相应地,反映到状态寄存器(status register)的相应位。

总体上,坏块可以分为两大类:第一类为固有坏块,这是生产过程中产生的坏块,一般芯片原厂都会在出厂时将坏块第一个页的扩展区域(Spare Area)的第6个字节标记为不等于0xff的值;第二类为使用坏块,这是在NANDFlash使用过程中,如果块擦除或者页编程错误,就可以简单地将这个块作为坏块来处理,这个时候需要把坏块标记起来。为了和固有坏块信息保持一致,将新发现坏块的第一个页的扩展区域的第6个字节标记为非0xff的值。由于Flash写入数据的时候是先擦除块,这样这个块里面的数据将全部变成0xff,写入1时,该位不变;写入0时,该位由1变为0。如果将扩展区域的第6 个字节标记为非0xff之后,将不可能再恢复为0xff,除非格式化有可能恢复。

我们已经了解到,坏了的块是无法擦除和写人数据的,而在嵌入式系统中,启动的第一步就是将Flash里面的前4KB数据自动复制到SRAM里面去运行。如果仅仅Flash的第一块坏了,而导致引导程序无法下载进去,那么这个块不是不能读取数据,而是读不出我们想再要放入的数据,这样这个 Flash设备就报废了。本文就这个问题作了深入的讨论,用一种基于Flash的地址重映射的方法解决这个问题。本文采用三星(Samscrag)公司的 S3C2440 ARM处理器和NAND Flash存储设备K9F1208UOM讨论地址重映射的思想。

1 S3C2440使用NAND Flash引导系统的方法

自动启动模式顺序:

  ①复位完成;
  ②当设置为自动启动模式,NAND Flash的开始4 KB被拷贝到Steppingstone的4 KB内部缓冲器;
  ③Steppingstone映射到nGCS0;
  ④CPU开始在Steppingstone执行启动代码程序。

由系统引导顺序看出,如果Flash的第一块坏了,那么读出的数据不一定是引导程序,这样,系统将无法启动。而在这种情况下,就只能换一块完好的Flash了,这样就造成了很大的浪费。

2 Flash存储器的内部结构

K9F1208UOM型Flash芯片内部存储器结构如图1所示。

1.gif

典型的NAND Flash由4 096块组成,每一个块包含32页,而每页是512+16=528字节。对于一个页,0~511字节为主存储区,即通常所说的用户可设定地址区,用来存储数据;512~527共16字节为扩展存储区,用来存储页的信息。扩展区的16字节用于描述主存储区的512字节。而对于坏块,也仅仅是将这16字节的第 6字节设置为不等于0xff,来标示坏块。

在NANDFlash使用过程中可能会出现这样的问题:产生坏块或坏页、由此引发的数据丢失、对一些扇区或块的过分磨损导致NANDFlash 寿命缩短等。为了能更好地使用NAND Flash,在其损坏时使损失最小化,需要一种方法,使用相同的地址可以屏蔽掉坏了的块,而指针指向好块。即使第一块坏了,还可以使用O地址去操作一个好块。

3 Flash存储器的读取方法

K9F11208UOM型Flash芯片内部与外部引脚关系如图2所示。对于每一个块的访问,都需要一个固定的物理地址,基于这个固定的物理地址来操作Flash存储器,在对块进行操作的时候,一个块地址对应一个块,如果这个块坏了,那么这个地址的存在就没有意义了。就像ARM芯片在引导的时候,需要复制Flash的前4 KB的数据,这样需要固定块的数据。如果这个块坏了,系统将无法引导。

2.gif

下面通过地址重映射的方法,即在Flash固件里面加入一个地址重映射的区域来解决这一问题。

4 基于地址重映射的读取方法

在实现地址重映射的时候,可以从块逻辑地址O开始,查看相对应的物理块。如果损坏,将地址从最后一个开始向前指,而相应的逻辑块被标示为坏块。例如图3,物理块0损坏,逻辑块地址0指向物理块4095的地址,而逻辑块地址4095被标示为坏块。可以看出,即使块0掼坏,仍然可以通过逻辑地址O进行操作,其内部的变化,并不会影响外部的使用。唯一不同的是,Flash的整体空间变小了。不过即使这样,也不会像以前那样,第一块坏了,就去换一个 Flash。

3.gif

5 性能分析

很明显,在数据读取的时候增加了一步地址重映射的计算。这样使整体性能会略微下降。下面分析一下加入地址重映射之后的性能影响(这里仅仅分析数据的读取性能,因为对Flash操作最多的是数据的读取,用户使用时也是读取最多)。

地址重映射是根据输入的地址计算操作地址的。从图4可以看出,地址重映射的计算是加在地址A25输入之后的,因其在内部操作,延时相对很小。而这个地址重映射在整个块操作之中只操作一次,且其使用时间很短,故在这里可以忽略不计,其对数据的读取操作基本没有影响。

4.gif

加入地址重映射之后,坏块全部集中到了整个Flash设备的最后。也就是说,即使这个Flash中有1024个块坏了,仍然可以当其为一个32 MB的Flash来使用,即其有效块为第0~1 023块;不像前面所描述的那样,就算只有第一个块坏了,这个Flash也就报废了。经过加入地址重映射之后的Flash,即使就剩下一块没有损坏的块了,这个Flash仍然可以作为引导系统使用。

6 结论

通过在Flash内部加入地址重映射机制,对于使用Flash将会有很大的方便,并且,即使第一个块坏了,仍可以继续使用这个Flash,而无需厂家保证第一个块是好的。这样大大延长了Flash的使用寿命,仅仅在坏块达到一定数量的时候才需要换一个。

参考文献

1. 彭兵,步凯,徐欣.NANDFlash坏块管理研究[J].微处理机,2009(2):113.
2. Samsung Electronics.K9F1208UOM 64MX 8 Bit NAND Flash MEMORY USER's M A NUAL.Reversion 0.9.
3. Samsung Electronics.S3C2440 32-BIT CMOS MICROCONTROLLER USER'S MANUAL,Reversion 1.0.
  
作者:大连交通大学 王刚  关苹苹  宋涛  刘俊阳   来源:《单片机与嵌入式系统应用 》 2009(11)
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