NAND Flash嵌入式存储系统设计

如今Windows仍是桌面系统的主流，对FAT文件系统提供了天然的支持。然而就技术而言，FAT文件系统并不适合Flash，因为Flash设备并不是块设备[1]，为了不破坏兼容性，并在NAND型闪存中应用FAT文件系统，国际上提出了闪存转译层FTL(Flash Translation Layer)的解决方案。

1 NAND Flash嵌入式存储系统结构

基于NAND Flash的存储系统的设计首先要解决坏块问题。由于NAND Flash自身存在固有坏块并在擦除和编程中又随机产生坏块，因此为了提高设备的可靠性应该将这两种操作分散在闪存不同的块中，以避免对某块的过度操作。

一般的基于NAND Flash嵌入式存储系统驱动结构分为三个层次：最底层是硬件操作接口，负责将主控芯片与Flash的控制管脚相连，这方面的固件主要实现对NAND Flash的物理操作;中间层是闪存转译层NFTL(NAND FTL)，是封装在Flash驱动中的软件模块，其作用是将Flash模拟成与磁盘相类似的块设备，使对上层操作系统而言，NAND Flash就像普通磁盘一样被访问。这一层主要是封装一些特殊的复杂管理控制功能;最上面的层就是文件管理层，功能类似于普通磁盘上的通用文件系统，向上层提供标准的文件操作接口。基于NAND Flash的嵌入式系统存储结构原理图如图1所示。

根据以上两个方面，既要在驱动中实现坏块管理，又要进行块模拟，所以可用的方法有两种[2]：一是在上层文件系统中解决坏块问题，驱动层只实现本身的功能，文件系统为驱动层提供不变的接口，为上层应用程序提供可靠透明的服务。这种方法较简单，开发周期比较短，但只对特定应用的嵌入式系统有很强的适应性;第二种方法是在驱动层的NFTL中解决坏块问题，将不可靠的NAND Flash虚拟成可靠的存储设备，为上层文件系统提供可靠透明服务，这种方法较第一种更复杂，但是此法具有较强的可移植性并能彻底断绝与文件系统的联系，其他文件系统也同样适用。

本文是以Samsung的NAND Flash K9F2808U0C作为存储芯片，设计了一种在NFTL上实现坏块管理并且实现连续数据读取的方法。

2 设计思想

2.1 闪存空间划分

K9F2808U0C是16 MB×8 bit的NAND Flash，共有1 024个Block，1 Block=16 KB，32 Page/Block，1 Page=528 B=(512 B+16 B)，其中16 B为备用区，主要存放NAND Flash出厂坏块标记、ECC校验码以及用户自定义区。K9F2808U0C地址空间是24 bit，分三个周期依次送入NAND Flash的地址锁存器。本文使用的地址均为字节地址，数据类型为DWORD(4 B)。

将K9F2808U0C的存储空间划分为四个区：坏块映射表存放区、交换块区、坏块映射区和实际数据存放区。文件系统管理的空间就是实际的数据存放空间，如图2所示。