MTD(1)—nand flash的基本知識

這是我準備的一個講解MTD子系統的一個文檔，我是以DM368 EVM板子的kernel 2.6.32.17為樣本代碼來講述的，各位最好準備3樣東西再開始閱讀我的文件。

1、DM368的晶片手冊 sprufg5_TMS320DM36xDMSoC ARM Subsystem Reference Guide.pdf

2、kernel 2.6.32.17的源碼

3、一份nand flash的硬體手冊，最好是2KB page的，如K9K8G08U0A.pdf

如果沒有我選用的晶片類型和kernel版本，也沒有關係，大的架構是一樣的，各位可以舉一反三。

 

MTD是一個很大的子系統，我的思路是從下向上，理出一條線來，讓大家理解Linux kernel是如果管理flash裝置的，上層的檔案系統和應用程式是如何操作flash的。

 

首先概述下flash吧。

在10年前的曆史上，嵌入式裝置上常用的flash有2種NOR flash和NAND flash，工作原理請自行參考網路資料，他們各有特點，有些裝置甚至同時使用nor和nand 兩種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

簡單來說，可以總結為上表。

 

從曆史的發展情況來看，目前大多數運行Linux的嵌入式系統都選用了nand flash，因為nand flash容量很大，性價比高。當然nor flash在某些產品領域中仍然有應用，這是題外話。

 

Nand flash這些年製造工藝上有了很大的進步，容量飛速增加，性價比進一步提高。

我們只需要知道隨身碟、SD卡、MP3、固態硬碟SSD都使用了nand flash作為儲存介質，再對比下這些年這些產品的價格和容量的走勢，就很容易理解nandflash的飛速發展了。

話說幾年前我們常用的SD卡才512MB，到現在8GB已經標配了，真是飛躍啊，甚至有種趨勢越來越明顯了，nandflash會取代機械硬碟！

 

現在再介紹下nand flash的幾個基本特性：

1、  資料區的邏輯組織關係Page、Block、OOB

 

以K9K8G08U0A為例，看；

Page是最小的讀寫單位，Block由多個相鄰Page組成，Block是最小的擦除單位，OOB也叫空閑區，用於存放每個Page的額外資料。

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

現在容量大的flash，Page都加大了，如，1 Page是2KB，還有4KB的Page，具體參數看flash的硬體手冊。

 

1、  Nand flash的讀寫擦操作特性

 

Nand flash在寫之前必須先進行擦除操作；

擦除是以Block為單位的，擦除後，該Block內的所有Page資料區bit均為1；

如擦除失敗，需要在該Block的第一個Page的OOB中標記壞塊；

 

寫操作只能把Page的bit從1修改為0，反之則不行；

有人可能會想，那我能不能一次唯寫一個Page的某些bit呢？

答案是不行，如果你非要這麼做，後果自負！

 

為什麼這麼說？因為ECC。

如果不理會ECC，單獨寫某些bit，程式上是允許的，而且會激發很多的奇思妙想，也許已經有人這麼幹了，正在為自己的創意沾沾自喜。

但是，我希望你們能夠仔細認真的閱讀nand flash的硬體手冊，看看手冊上有沒有說明可以關閉ECC。只要硬體廠家沒有說明可以關閉ECC，你們就要為自己的程式提心弔膽一天。

 

為什麼要用ECC？因為位反轉。

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

Nand Flash的位反轉位翻轉現象
Bit Flip/Bit Flipping/Bit-Flip/Bit twiddling of Nand Flash

Nand Flash由於本身硬體的內在特性，會導致（極其）偶爾的出現位反轉的現象。
所謂的位反轉，bit flip，指的是原先Nand Flash中的某個位，變化了，即要麼從1變成0了，要麼從0變成1了。

 

ECC的原理，可以在網上搜尋，比如http://blog.cechina.cn/dAsh/93427/message.aspx

 

Nand flash的原理和製造工藝決定了位反轉是不可避免的出錯現象，也許工藝越來越先進，發生的幾率會越來越小，但只要廠家沒有公開保證已經消除了位反轉，我們就必須使用ECC校正，否則程式崩潰死都不知道是怎麼死的。

 

上面說了這麼大一堆，就是要讓我們知道，寫操作必須一次寫一個Page，並且將ECC校正碼同步寫入該Page的OOB地區。

為什麼不能在已經儲存了資料的page上再次寫入資料？即使是把其中某些bit從1改寫成0也不可以？因為ECC！你在初次寫page資料的時候，就已經將對應的ECC寫入OOB了，你再次修改page資料內容，它的ECC碼也要重新計算，而你想再次寫入新的ECC碼到OOB時，它可能需要將某些bit從0改寫成1，而這是flash不允許的！

 

所以，正常的讀寫流程是，如果要寫入的page是乾淨的（剛擦除過，bit都為1），那麼就寫入完整page的資料，然後計算ECC，將ECC寫入OOB；如果要寫入的page已經充滿了資料，那麼要麼重新尋找一個乾淨的page寫新資料，要麼擦除對應的block，再寫入資料。

 

讀取資料的流程，按規範也應該是讀取完整的一個page，然後計算ECC，再跟OOB中的寫時ECC碼做校正，如果校正成功，讀取資料成功，否則失敗。

儘管flash提供了隨機讀取page內的任意資料的功能，但我們不應該這麼做，這麼做就無法使用ECC校正，一旦出現資料錯誤，就會引發程式崩潰等嚴重問題。

 

1、  Nand flash的壞塊管理

 

目前nand flash還不敢承諾出廠無壞塊，只能保證晶片的第一個block是好的，否則良率太低，必然導致成本大幅上升。而且隨著不斷擦除，使用過程中也會不斷出現壞塊。因此，我們必須面對壞塊這個問題。

 

壞塊的產生有三種情況，出廠時就有的壞塊，擦除操作失敗產生的壞塊，寫操作失敗產生的壞塊。

 

Nand flash每個單元的擦寫次數是有限制的，一般是10萬次（具體看硬體手冊），但這個10萬次是最大壽命呢，還是至少保證10萬次擦寫？沒有官方的回覆，總之我們要做好每次擦寫動作的錯誤處理就好了。

 

另外一個話題就是“偽壞塊”，為什麼會產生偽壞塊？我們在開發過程中，經常會對開發板進行一些修改調試，可能會導致擦寫flash的電壓不夠，這時候程式上讀取擦寫操作的返回狀態，就會得到失敗的狀態字，於是程式就將改塊標記為壞塊了。而正常的程式流程，在讀到壞塊標記後就會將改塊跳過，不再使用，也不再去擦除它。這樣就導致了偽壞塊的產生，這樣的偽壞塊如果在正常的工作電壓下進行擦除操作，通常是可以擦除成功，作為乾淨塊使用的。

 

Kernel裡面的nandflash驅動程式，為了提高效率，是不會再對標記壞塊做擦除動作的，因此在linux下無法清除偽壞塊，但是我們可以在uboot中徹底擦除flash，這樣是可以清除偽壞塊的。

 

那麼如何管理flash中的壞塊？

Kernel裡面的MTD會管理一個BBT，就是壞塊表。

 

一個進階話題，如何提高nand flash的使用壽命？

既然flash的每個單元的擦寫次數是有限的，那麼如果我們總是頻繁的擦寫flash上的某些塊，而另外一些塊很少被擦寫，那麼這些擦寫頻繁的塊就會很快達到使用壽命成為壞塊，這樣的壞塊多了，如果設計上沒有考慮好這個問題，就會影響整個裝置的使用壽命。

舉個例子，我們將flash上的某個分區格式化為FAT檔案系統，作為隨身碟來使用。FAT檔案系統最大的特點就是使用2個FAT表來儲存整個檔案系統分區的扇區使用方式，我們在隨身碟上進行檔案的複製刪除動作，檔案系統讀寫最頻繁的就是FAT表；根據前面講述的flash的讀寫特性，FAT表所在的Block就會很頻繁的被擦寫，時間長了該塊就會變成壞塊，如果2個FAT表所在的Block都成壞塊了，FAT檔案系統就無法使用了，隨身碟也就壞了。

當然，上面舉的例子，只是為了說明壞塊導致的問題，我相信任何一個生產隨身碟的廠家都發現了這個問題，也採取了一些措施來解決這個問題。

如何解決這個問題？均勻擦寫！簡單來講，就是建立邏輯塊和物理塊的一個映射關係，根據某種演算法，動態將某些擦寫頻繁的邏輯塊重新對應到不同的物理塊，在這個映射過程中，會將擦寫頻繁的物理塊與其他不常擦寫的物理塊做交換，比如我們對FAT表擦寫了10000次，但這個過程中我們將映射表做了修改，與其他塊做了10次交換，就相當於每個物理塊只擦寫了1000次，這樣就相當於提高了10倍的使用壽命。

具體的策略如何?，八仙過海，各有奇招。