MTD(1)---nand flash的基本知识 .

这是我准备的一个讲解MTD子系统的一个文档，我是以DM368 EVM板子的kernel 2.6.32.17为样本代码来讲述的，各位最好准备3样东西再开始阅读我的文档。

1、DM368的芯片手册 sprufg5_TMS320DM36xDMSoC ARM Subsystem Reference Guide.pdf

2、kernel 2.6.32.17的源码

3、一份nand flash的硬件手册，最好是2KB page的，如K9K8G08U0A.pdf

如果没有我选用的芯片类型和kernel版本，也没有关系，大的架构是一样的，各位可以举一反三。

 

MTD是一个很大的子系统，我的思路是从下向上，理出一条线来，让大家理解Linux kernel是如果管理flash设备的，上层的文件系统和应用程序是如何操作flash的。

 

首先概述下flash吧。

在10年前的历史上，嵌入式设备上常用的flash有2种NOR flash和NAND flash，工作原理请自行参考网络资料，他们各有特点，有些设备甚至同时使用nor和nand 两种flash。

http://www2.electronicproducts.com/NAND_vs_NOR_flash_technology-article-FEBMSY1-feb2002-html.aspx

http://www.cnblogs.com/lidp/archive/2010/02/25/1696458.html

 

NOR-NAND comparison

 

PARAMETER

NOR

NAND

Capacity

1 to 16 Mbytes

8 to 128 Mbytes

XIP (code execution)

Yes

No

Performance Erase
  Write
  Read

Very Slow (5 s)
  Slow
  Fast

Fast (3 ms)
  Fast
  Fast

Strengths

Addressable to every byte

More than 10% higher life  expectancy

Erase cycle range

10,000 to 100,000

100,000 to1,000,000

Interface

SRAM-like, memory mapped

Accessed in bursts of 512  bytes; I/O mapped

Access method

Random

Sequential

Price

High

Very  low

简单来说，可以总结为上表。

 

从历史的发展情况来看，目前大多数运行Linux的嵌入式系统都选用了nand flash，因为nand flash容量很大，性价比高。当然nor flash在某些产品领域中仍然有应用，这是题外话。

 

Nand flash这些年制造工艺上有了很大的进步，容量飞速增加，性价比进一步提高。

我们只需要知道U盘、SD卡、MP3、固态硬盘SSD都使用了nand flash作为存储介质，再对比下这些年这些产品的价格和容量的走势，就很容易理解nandflash的飞速发展了。

话说几年前我们常用的SD卡才512MB，到现在8GB已经标配了，真是飞跃啊，甚至有种趋势越来越明显了，nandflash会取代机械硬盘！

 

现在再介绍下nand flash的几个基本特性：

1、  数据区的逻辑组织关系Page、Block、OOB

 

以K9K8G08U0A为例，看下图；

Page是最小的读写单位，Block由多个相邻Page组成，Block是最小的擦除单位，OOB也叫空闲区，用于存放每个Page的额外数据。

历史上早期容量小的nand flash，1 Page = (512+16)Bytes，1 Block = 32 Page = 16KB;

现在容量大的flash，Page都加大了，如上图，1 Page是2KB，还有4KB的Page，具体参数看flash的硬件手册。

 

1、  Nand flash的读写擦操作特性

 

Nand flash在写之前必须先进行擦除操作；

擦除是以Block为单位的，擦除后，该Block内的所有Page数据区bit均为1；

如擦除失败，需要在该Block的第一个Page的OOB中标记坏块；

 

写操作只能把Page的bit从1修改为0，反之则不行；

有人可能会想，那我能不能一次只写一个Page的某些bit呢？

答案是不行，如果你非要这么做，后果自负！

 

为什么这么说？因为ECC。

如果不理会ECC，单独写某些bit，程序上是允许的，而且会激发很多的奇思妙想，也许已经有人这么干了，正在为自己的创意沾沾自喜。

但是，我希望你们能够仔细认真的阅读nand flash的硬件手册，看看手册上有没有说明可以关闭ECC。只要硬件厂家没有说明可以关闭ECC，你们就要为自己的程序提心吊胆一天。

 

为什么要用ECC？因为位反转。

http://againinput4.blog.163.com/blog/static/1727994912011885152491/

Nand Flash的位反转位翻转现象
Bit Flip/Bit Flipping/Bit-Flip/Bit twiddling of Nand Flash

Nand Flash由于本身硬件的内在特性，会导致（极其）偶尔的出现位反转的现象。
所谓的位反转，bit flip，指的是原先Nand Flash中的某个位，变化了，即要么从1变成0了，要么从0变成1了。

 

ECC的原理，可以在网上搜索，比如http://blog.cechina.cn/dAsh/93427/message.aspx

 

Nand flash的原理和制造工艺决定了位反转是不可避免的出错现象，也许工艺越来越先进，发生的几率会越来越小，但只要厂家没有公开保证已经消除了位反转，我们就必须使用ECC校验，否则程序崩溃死都不知道是怎么死的。

 

上面说了这么大一堆，就是要让我们知道，写操作必须一次写一个Page，并且将ECC校验码同步写入该Page的OOB区域。

为什么不能在已经保存了数据的page上再次写入数据？即使是把其中某些bit从1改写成0也不可以？因为ECC！你在初次写page数据的时候，就已经将对应的ECC写入OOB了，你再次修改page数据内容，它的ECC码也要重新计算，而你想再次写入新的ECC码到OOB时，它可能需要将某些bit从0改写成1，而这是flash不允许的！

 

所以，正常的读写流程是，如果要写入的page是干净的（刚擦除过，bit都为1），那么就写入完整page的数据，然后计算ECC，将ECC写入OOB；如果要写入的page已经充满了数据，那么要么重新寻找一个干净的page写新数据，要么擦除对应的block，再写入数据。

 

读取数据的流程，按规范也应该是读取完整的一个page，然后计算ECC，再跟OOB中的写时ECC码做校验，如果校验成功，读取数据成功，否则失败。

尽管flash提供了随机读取page内的任意数据的功能，但我们不应该这么做，这么做就无法使用ECC校验，一旦出现数据错误，就会引发程序崩溃等严重问题。

 

1、  Nand flash的坏块管理

 

目前nand flash还不敢承诺出厂无坏块，只能保证芯片的第一个block是好的，否则良率太低，必然导致成本大幅上升。而且随着不断擦除，使用过程中也会不断出现坏块。因此，我们必须面对坏块这个问题。

 

坏块的产生有三种情况，出厂时就有的坏块，擦除操作失败产生的坏块，写操作失败产生的坏块。

 

Nand flash每个单元的擦写次数是有限制的，一般是10万次（具体看硬件手册），但这个10万次是最大寿命呢，还是至少保证10万次擦写？没有官方的答复，总之我们要做好每次擦写动作的错误处理就好了。

 

另外一个话题就是“伪坏块”，为什么会产生伪坏块？我们在开发过程中，经常会对开发板进行一些修改调试，可能会导致擦写flash的电压不够，这时候程序上读取擦写操作的返回状态，就会得到失败的状态字，于是程序就将改块标记为坏块了。而正常的程序流程，在读到坏块标记后就会将改块跳过，不再使用，也不再去擦除它。这样就导致了伪坏块的产生，这样的伪坏块如果在正常的工作电压下进行擦除操作，通常是可以擦除成功，作为干净块使用的。

 

Kernel里面的nandflash驱动程序，为了提高效率，是不会再对标记坏块做擦除动作的，因此在linux下无法清除伪坏块，但是我们可以在uboot中彻底擦除flash，这样是可以清除伪坏块的。

 

那么如何管理flash中的坏块？

Kernel里面的MTD会管理一个BBT，就是坏块表。

 

一个高级话题，如何提高nand flash的使用寿命？

既然flash的每个单元的擦写次数是有限的，那么如果我们总是频繁的擦写flash上的某些块，而另外一些块很少被擦写，那么这些擦写频繁的块就会很快达到使用寿命成为坏块，这样的坏块多了，如果设计上没有考虑好这个问题，就会影响整个设备的使用寿命。

举个例子，我们将flash上的某个分区格式化为FAT文件系统，作为U盘来使用。FAT文件系统最大的特点就是使用2个FAT表来保存整个文件系统分区的扇区使用情况，我们在U盘上进行文件的复制删除动作，文件系统读写最频繁的就是FAT表；根据前面讲述的flash的读写特性，FAT表所在的Block就会很频繁的被擦写，时间长了该块就会变成坏块，如果2个FAT表所在的Block都成坏块了，FAT文件系统就无法使用了，U盘也就坏了。

当然，上面举的例子，只是为了说明坏块导致的问题，我相信任何一个生产U盘的厂家都发现了这个问题，也采取了一些措施来解决这个问题。

如何解决这个问题？均匀擦写！简单来讲，就是建立逻辑块和物理块的一个映射关系，根据某种算法，动态的将某些擦写频繁的逻辑块重新映射到不同的物理块，在这个映射过程中，会将擦写频繁的物理块与其他不常擦写的物理块做交换，比如我们对FAT表擦写了10000次，但这个过程中我们将映射表做了修改，与其他块做了10次交换，就相当于每个物理块只擦写了1000次，这样就相当于提高了10倍的使用寿命。

具体的策略如何实现，八仙过海，各有奇招。