NAND Flash文件系统方案及其可靠性设计

NAND Flash文件系统方案及其可靠性设计　

随着嵌入式系统在消费电子，数据采集和工业控制等领域得到越来越广泛的应用。各个领域都对嵌入式系统提出了更高的要求。作为嵌入式系统中最重要的组成部分，存储系统呈现出了较快的发展速度。NAND FLASH作为一种安全、快速的存储体，具有体积小、容量大、成本低、以及更多的擦除次数等一系列优点，已成为嵌入式系统中数据和程序最主要的载体。由于NAND FLASH在结构和操作方式上与硬盘、E2ROM等其他存储介质有较大区别，使用NAND FLASH时必须根据其自身特性，对文件系统进行特殊设计，以保证系统的性能达到最优。同时由于工艺和使用环境的问题，NAND Flash存储器中不可避免的会出现坏块，因此必须提出有效的坏块处理方法，以解决坏块问题，实现存储系统的高可靠性。
　　
　　1 NAND FLASH特点
　　
　　1.1 区块结构
　　NAND Flash存储器内部分为若干个存储单元块（block）,每个存储单元块又分为若干个页（page），存储单元块是最小的擦除单位，页是写入数据的最小单位。
　　1.2 先擦后写
　　由于FLASH的写操作只能将数据位从1写成0，不能从0写成1，所以在对存储器进行写入之前必须先执行擦操作，将预写入的数据位初始化为1。擦操作的最小单位是一个区块，而不是单个字节。
　　1.3 操作指令
　　NAND FLASH的操作不能像RAM那样，直接对目标地址进行总线操作。比如执行一次写操作，它必须完成一段时序才能将数据写入到FLASH中。
　　1.4 坏块
　　NAND FLASH的坏块是随机分布的，可能在出厂时就存在坏块，也可能在使用过程中，导致某些区块的损坏。区块一旦损坏，将无法进行修复。如果对已损坏的区块进行操作，可能会带来不可预测的错误。
　　
　　2 NAND Flash 文件系统的设计
　　
　　将整个文件系统分为两个层次，第一层,直接和物理硬件接触，管理Flash物理存储器，第二层,在基层之上,实现文件管理，如实现FAT。
　　2.1 第一层
　　2.1.1 物理地址到逻辑地址的映射
　　为了在NAND Flash物理地址和FAT操作的逻辑地址之间建立一个好的映射关系,须对NAND Flash的存储空间在逻辑上进行了重新定义。物理上整个Flash划分为若干存储单元块，每个存储单元块内部分成若干物理页，每个物理页又可以分为基本的数据区和其它信息保留区（如安全性）。逻辑上将整个存储器划分为若干簇，以簇作为最小存储单位。确定好簇和物理页及物理区块的对应关系后,物理地址到逻辑地址的映射也就确定了。
　　2.1.2可靠性设计
　　一个完善的文件系统需要有良好的可靠性。笼统的讲,可靠性的实现,需要存储器信息的支持。
　　2.1.3 均衡擦写次数
　　由于NAND Flash有一定的使用寿命，所以要尽量避免频繁地对同一块地址操作，以免造成局部单元提前损坏，可以设计算法，将NAND Flash中要更新的数据直接写入一个空块中，降低由于NAND Flash先擦除后写入的特性带来的对块的频繁擦除。
　　2.2 FAT设计
　　在NAND Flash上，建立了FAT文件系统来对文件操作进行管理。将FAT文件系统具体分为以下四部分：
　　2.2.1 FAT的引导区
　　该引导区存放代码所需的信息及最重要的文件系统信息。这些信息包括了NAND Flash存储器的类型、容量以及划分成多少个簇；每个簇包含多少扇区、FAT表数目、保留扇区数、根目录的首簇号及根目录入口数、版本信息等等。引导扇区是在格式化NAND Flash时生成的。

2.2.2 FAT的文件分配表
　　文件分配表存放文件所占用的存储空间簇链以及NAND Flash存储器的占用和空闲空间的情况。为了防止文件分配表损坏而引起文件的丢失，可以在系统中保存两个相同的文件分配表
　　(下转第1324页)
　　(上接第1320页)
　　FAT1和FAT2,以改善其安全性。在文件系统的操作中，程序对FAT表结构的两个备份进行顺次修改，以此确保Flash存储器上总是存有一整套完好的文件分配表。系统对FAT表的访问原理如下：访问文件时先从要目录中找到该文件的目录项，从中读出首簇号。然后在FAT中找到从该首簇号开始的簇链，簇链上的簇号即为文件依次存放的位置，这样便可以进行数据读写了。
　　2.2.3 FAT的根目录区
　　FAT的根目录区是固定大小的紧跟在FAT表后的区域。FAT16中将从FAT区之后紧跟的32个扇区作为根目录区,可以保存512个目录项。每个目录项记录了该文件的文件名、文件属性、文件大小、文件创建的日期和时间以及文件在数据区中所占的首簇号，即该文件在FAT表中的入口等数据。
　　
　　2.2.4 FAT的数据区
　　数据区存在文件的数据内容。文件系统对数据区的存储空间是按簇进行划分和管理的。
　　
　　3 NAND Flash可靠性设计
　　
　　由于工艺和使用环境的问题，NAND Flash 存储器中不可避免的会出现坏块，这一弱点长期影响存储的可靠性，带来不可预测的后果，因此如果能解决坏块问题，将大大提升NAND Flash 的可靠性。本文提出一种在文件系统底层解决坏块问题的方法，即利用Flash存储器上未使用的空间来代替坏块，同时在FAT表中标记出损坏的坏块信息，避免以后对坏块进行读写。具体方案如下。
　　3.1 坏块发现
　　NAND Flash对存储器的写入采用先擦后写的流程，擦除的最小单位为1个block，写入的最小单位为一个page。在写入数据时，先在内存中申请1个block大小的缓冲区，然后在存储空间找到要写入数据的page所在的block，将该block全部读入缓冲区，在缓冲区中将数据写入相应的page，写完后，将该block写入Flash，若在写入Flash时多次报错则判定该block为坏块
　　3.2 坏块处理
　　3.2.1 在内存里建立文件系统的反向簇链，方便进行坏块的替换。
　　3.2.2 备份坏块对应簇的FAT表项，在FAT表中标记出该坏块的信息。
　　3.2.3 寻找替换空间
　　以1个block包含32个page，1个簇包含16个page，即1个block包含2个簇为例进行说明，坏块N包含x,x+1簇，首先从Flash的末尾处开始寻找空闲块，找到即进行整块的替换，见图1。
　　图1 替代块
　　若一直寻找到数据区的开头都没有空闲块，则重新寻找空闲簇，以簇为单位进行替换，如图2，假设Y,Z分别为X,X+1的替换簇，由于簇在物理空间上并不一定连续，因此在进行簇的替换时可能会出现3种情况：
　　情况1：替换簇不在坏块中，即Y,Z不在坏块N中
　　处理方法：直接进行簇的替换，将备份的索引号，直接赋值给替换簇的FAT表项，同时更新反向簇链。
　　情况2：替换簇在坏块中，即Y或者Z也在坏块N中，这时要再分两种情况
　　情况2.1 替换簇在被替换簇之前
　　处理方法：因为替换簇自己在之前已经被替换，所以要备份之前更新FAT表时替换的新簇簇号，根据两坏簇间距离，到替换簇号备份中查找其应对应的簇号，来更新当前簇的链接，同时更新反向FAT表。
　　情况2.2 替换簇在被替换簇之后
　　处理方法：因为替换簇是坏簇，其替换的位置未知，所以只更新反向FAT表，其本身的FAT表项到更新替换簇的前续节点时再做更新。最后查询反向FAT表，将替换的各个新簇接回其前续节点。
　　图2 替代簇
　　如果FAT表中已经没有空闲簇则报错，该方案完成。
　　使用一块32M的NAND Flash，将测试代码先写入一块数据，然后读出数据进行校验的方法对上述方案进行论证，通过两个星期反复的读写，结论为：在没有采用坏块处理程序之前，由于坏块的存在，导致写入的数据在大约12M之后全部丢失，采用坏块处理程序之后，运行的两周内没有任何校验错误。由此可见其可靠性得到很大提升。
　　
　　4 结语
　　
　　通过上述对NAND Flash文件系统的设计，使得NAND Flash的性能大大优化，能够满足各个领域对嵌入式存储器越来越高的要求，同时在面对NAND Flash所固有的坏块问题上，通过上述坏块处理的算法，很好的解决了在NAND Flash 存储介质上运用FAT文件系统的坏块问题，增加了整个嵌入式系统的存储可靠性。