一種基于大容量數(shù)據(jù)記錄儀的壞塊管理設(shè)計(jì)

胡紅，王少云，葉艷

（1.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，江蘇南京210016；2.南京航空航天大學(xué)無(wú)人機(jī)研究院，江蘇南京210016）

Flash芯片作為一種新興的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件，具有集成度高、非易失性、功耗低、價(jià)格低、容量大、可擦除次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中。Samsung公司的K9F8G08U0M單片容量達(dá)到8GB，可通過(guò)多片NAND Flash串聯(lián)的方法擴(kuò)大系統(tǒng)容量。但是由于工藝和使用環(huán)境等因素，NAND Flash較其他形式的存儲(chǔ)芯片更易出現(xiàn)壞塊問(wèn)題，同時(shí)由于NAND Flash存儲(chǔ)芯片的容量大，出現(xiàn)壞塊問(wèn)題也更多。因此，在使用NAND Flash存儲(chǔ)芯片時(shí)，對(duì)壞塊的管理愈顯重要。

使用NAND Flash存儲(chǔ)芯片時(shí)，對(duì)壞塊的管理的一般方法有：1）基于FPGA的片內(nèi)RAM，存儲(chǔ)有效塊信息，將有效塊地址作為數(shù)據(jù)存入RAM中。進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，從RAM中讀出有效塊地址。2）基于FPGA內(nèi)部RAM，RAM地址與塊地址相對(duì)應(yīng)，在與壞塊地址相對(duì)應(yīng)的RAM中存儲(chǔ)1，而其他存儲(chǔ)0[1]。

本文提出了一種基于FPGA的大容量數(shù)據(jù)記錄儀的壞塊管理方法，利用FPGA[2]內(nèi)部RAM[3]空間建立壞塊地址信息存儲(chǔ)區(qū)，通過(guò)查詢(xún)存儲(chǔ)區(qū)中的信息，來(lái)確定當(dāng)前存儲(chǔ)塊是否損壞，若是壞塊則跳過(guò)，從而避免對(duì)壞塊的操作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Flash存儲(chǔ)空間的有效管理。該壞塊管理方案在不增加FPGA使用的復(fù)雜程度的條件下，需要的內(nèi)存資源比方法1、方法2明顯減少。

1 NAND Flash K 9F8G08U0M簡(jiǎn)介

文中的大容量數(shù)據(jù)記錄儀采用9片Samsung公司的NAND Flash芯片K9F8G08U0M，其總?cè)萘窟_(dá)到72G。K9F8G08U0M芯片由4096個(gè)塊組成，每個(gè)塊有64頁(yè)，每個(gè)頁(yè)為（4K+128）Bytes，其中4KBytes為Main Area，128Bytes為Spare area，Main Area專(zhuān)門(mén)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，Spare Area存儲(chǔ)其他信息，如ECC校檢碼、壞塊信息等。K9F8G08U0M的讀寫(xiě)操作以頁(yè)為最小單位，擦除操作以塊為最小單位進(jìn)行，禁止按位擦除。8個(gè)I/O引腳為多路復(fù)用，既可以作為數(shù)據(jù)線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，也可以作為地址線(xiàn)進(jìn)行尋址。這個(gè)方案顯著減少了芯片引腳，允許在保持系統(tǒng)板不變的情況下升級(jí)存儲(chǔ)密度[4]。

2 壞塊管理設(shè)計(jì)方案

K9F8G08U0M芯片是數(shù)據(jù)記錄儀的核心部分，若某個(gè)塊發(fā)生損壞時(shí)，視為壞塊。記錄儀工作時(shí)，剔除壞塊，只將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到好塊中，從而提高存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的正確性，即數(shù)據(jù)記錄儀使用NAND Flash存儲(chǔ)芯片時(shí)，需要對(duì)存儲(chǔ)板壞塊進(jìn)行管理。

2.1 壞塊產(chǎn)生原因及分類(lèi)

由于Flash的制造工藝不能保證其存儲(chǔ)陣列在其生命周期中保持性能的可靠，因此，在Flash的生產(chǎn)與使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生壞塊。

NAND Flash的壞塊可分為兩類(lèi)：固有壞塊、使用壞塊。固有壞塊是出廠(chǎng)前，由于生產(chǎn)工藝所產(chǎn)生的壞塊。廠(chǎng)商已經(jīng)對(duì)固有壞塊進(jìn)行了壞塊標(biāo)記，在每個(gè)塊第1頁(yè)的第一個(gè)備份字節(jié)標(biāo)志壞塊值，若為0xff，則為好塊，若為非0xff，則為壞塊。為了保持與固有壞塊信息一致，使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)新的壞塊時(shí)，將新的壞塊第一頁(yè)的第一個(gè)備份字節(jié)標(biāo)志為非0xff。

使用壞塊是出廠(chǎng)后，用戶(hù)對(duì)芯片使用產(chǎn)生過(guò)程中產(chǎn)生的新壞塊。

2.2 壞塊管理設(shè)計(jì)方案分析與實(shí)現(xiàn)

本文提出的壞塊管理方法是對(duì)方法1上進(jìn)行改進(jìn)后形成的。我們稱(chēng)為方法3。方法3在FPGA中內(nèi)建片上RAM來(lái)存儲(chǔ)壞塊地址信息，通過(guò)壞塊查詢(xún)模塊來(lái)辨別當(dāng)前存儲(chǔ)塊是否有效。壞塊管理需要做以下工作：識(shí)別壞塊并建立壞塊表（BBT，bad block table），將壞塊地址信息存儲(chǔ)到壞塊表中；在對(duì)當(dāng)前存儲(chǔ)塊進(jìn)行操作時(shí)，發(fā)生錯(cuò)誤需更新BBT，并且通過(guò)壞塊查詢(xún)模塊來(lái)跳過(guò)壞塊，從而對(duì)有效塊進(jìn)行操作。

2.2.1 識(shí)別壞塊與存儲(chǔ)信息

第一次對(duì)NAND Flash進(jìn)行操作之前，先要識(shí)別固有壞塊，建立初始BBT。其操作流程為：設(shè)置塊初始地址為0，檢查塊中備份區(qū)的第一個(gè)字節(jié)是否為0xff，如果是，則為有效塊，如果不是，則為壞塊，產(chǎn)生初始?jí)膲K表（后面的塊為壞塊，則需更新BBT），將該壞塊地址信息存儲(chǔ)進(jìn)去，增加塊地址，繼續(xù)上面的步驟，直到最后一塊。流程圖如圖1所示。

圖1 創(chuàng)建壞塊表的流程圖Fig.1 Flow chart of creating initial bad block table

在壞塊管理過(guò)程中，不僅僅要識(shí)別壞塊，而且必須將壞塊地址信息存儲(chǔ)起來(lái)，這樣在對(duì)存儲(chǔ)塊進(jìn)行操作時(shí)只需要檢查該塊是否在BBT中，不需要每次去識(shí)別，節(jié)省了大量時(shí)間。首先在FPGA中建立RAM空間，將壞塊地址信息存儲(chǔ)到RAM壞塊地址信息存儲(chǔ)區(qū)，然后再寫(xiě)入到NAND Flash的一個(gè)有效塊中。為了防止意外掉電，每個(gè)BBT必須在Flash里保存兩份[5]。當(dāng)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)BBT不一樣時(shí)，說(shuō)明出現(xiàn)狀況，必須重新建立壞塊表[7]。

NAND Flash除了固有壞塊，對(duì)NAND Flash進(jìn)行讀寫(xiě)擦除操作過(guò)程中也會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生新的壞塊，這時(shí)需要更新BBT。NAND Flash讀操作失敗時(shí)，一般不會(huì)造成整頁(yè)全部出錯(cuò)，僅僅是頁(yè)中的一個(gè)或幾個(gè)比特出錯(cuò)。文中使用一種比較專(zhuān)用的校檢—ECC（Error Correction Code）。ECC能夠糾正一個(gè)比特錯(cuò)誤以及檢測(cè)兩個(gè)比特錯(cuò)誤，而且計(jì)算速度很快[6]。本設(shè)計(jì)中，對(duì)每個(gè)512Bytes原始數(shù)據(jù)生成3個(gè)字節(jié)ECC校檢碼：8比特的列校檢碼和16比特的行校檢碼。對(duì)于每頁(yè)4KB的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，會(huì)產(chǎn)生24Bytes的ECC校檢碼。當(dāng)出現(xiàn)1bit錯(cuò)誤時(shí)，可糾正；當(dāng)出現(xiàn)2bits以上的錯(cuò)誤，就將該塊標(biāo)記為壞塊，這時(shí)需要更新BBT，如圖2所示。當(dāng)擦寫(xiě)操作失敗時(shí)，其狀態(tài)會(huì)相應(yīng)地反映到狀態(tài)寄存器上，將壞塊里面的內(nèi)容備份到有效塊中，然后將其標(biāo)志為壞塊，這時(shí)也需要更新BBT，如圖3所示。

圖2 讀操作失敗更新BBTFig.2 Update BBT with failure of read operation

2.2.2 壞塊查詢(xún)模塊

對(duì)當(dāng)前存儲(chǔ)塊進(jìn)行操作時(shí)，需要調(diào)用壞塊查詢(xún)模塊。上電時(shí)，首先將壞塊信息從Flash的存儲(chǔ)區(qū)讀入到RAM中。當(dāng)對(duì)第n塊進(jìn)行操作時(shí)，只需調(diào)用壞塊查詢(xún)模塊，查詢(xún)FPGA內(nèi)部RAM的壞塊地址信息，如果該塊為壞塊，則對(duì)第n+1個(gè)壞塊查詢(xún)，直至查詢(xún)到一個(gè)有效塊。查詢(xún)壞塊模塊部分代碼如下所示。

always@（posedge clk or negedge rst）

if（!rst）

begin

valid_blockaddr＜=12'b0；

i＜=5'b0；

read＜=1'b0；

圖3 擦寫(xiě)操作失敗更新BBTFig.3 Update BBT with failure of erase and write operation

num＜=5'b0；

end

else

begin

if（i＜64）

begin

block_addr＜=addr[30:19]+num；

read＜=1'b1；

address＜=i；

if（block_addr==data）//說(shuō)明該塊為壞塊，設(shè)num為1，則塊地址加1

begin

i＜=0；

num＜=num+5'b1；

end

else//與下一個(gè)地址信息對(duì)比，num不變，則地址不變

begin

i＜=i+5'b1；

num＜=num；

end

end

else//當(dāng)i大于63時(shí)，說(shuō)明已與所有壞塊地址信息對(duì)比過(guò)，并且該塊不在壞塊中

begin

valid_blockaddr＜=block_addr；

i＜=0；

num＜=5'b0；

end

end

其中read、address分別為存儲(chǔ)壞塊地址信息RAM的讀使能端、地址，數(shù)據(jù)寬度為12，深度為64。addr為31位操作地址，data為RAM輸出的壞塊地址，將操作地址與壞塊地址data相比較，如果數(shù)據(jù)相同，說(shuō)明該塊為壞塊，則將塊地址加1，從而跳過(guò)壞塊。由于所選型號(hào)不同以及工藝上的差別，壞塊數(shù)目自然不同，因此根據(jù)實(shí)際情況建立RAM[5]。

2.3 壞塊管理設(shè)計(jì)方法比較

由于一般壞塊的數(shù)量不超過(guò)總量的2%，所以其壞塊信息量較有效塊信息量小很多。方法3只占用FPGA較少的RAM資源。對(duì)于單片K9F8GU0M而言，對(duì)方法1、方法2以及本文所提出的方法進(jìn)行存儲(chǔ)信息以及占用RAM資源的比較，如表1所示。方法3占用RAM的資源大約是方法1的2.5%，是方法3的30%。

表1 壞塊管理設(shè)計(jì)方法比較Tab.1 The comparison of bad block storage methods

3 仿真分析

3.1 仿真試驗(yàn)

本文使用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行編程，在QuartusII軟件平臺(tái)上對(duì)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行編譯、運(yùn)行，并且在Modelsim仿真平臺(tái)上編寫(xiě)測(cè)試[8]平臺(tái)，對(duì)模塊進(jìn)行功能仿真。圖4、圖5分別為識(shí)別壞塊仿真圖、壞塊查詢(xún)仿真圖。

圖4 識(shí)別壞塊仿真圖Fig.4 Simulation diagram of identifying bad block

3.2 結(jié)果分析

圖5 壞塊查詢(xún)仿真圖Fig.5 Stimulation graph of checking bad block

圖4為識(shí)別固有壞塊仿真時(shí)序。該數(shù)據(jù)記錄儀由9片K9F8G08U0M組成，圖中CE_L為9位片選信號(hào)，低電平有效；ALE_H為地址鎖存使能，高電平有效；CLE_H為命令鎖存使能，高電平有效；WE_L為寫(xiě)使能，低電平有效；RE_L為讀使能，低電平有效；RB為設(shè)備狀態(tài)對(duì)于識(shí)別壞塊的仿真，本設(shè)計(jì)片選第1個(gè)芯片，讀出每塊的第一個(gè)備份字節(jié)。塊的初始地址為0，讀出數(shù)據(jù)后，將塊地址加1。由仿真圖可知第0，1塊為好塊，第2塊為壞塊，依次類(lèi)推。仿真結(jié)果表明該壞塊管理中的壞塊識(shí)別模塊能夠?qū)崿F(xiàn)識(shí)別壞塊的功能。

圖5為壞塊查詢(xún)模塊仿真圖。為了便于觀察，設(shè)置RAM中第1、2、3、4地址存儲(chǔ)的壞塊地址為第1、3、5、6塊。圖5中addr為31位操作地址，分別設(shè)置為0x00000000、0x00180000、0x00280000，其對(duì)應(yīng)的塊地址為第0、3、5塊；valid_block為12位有效塊地址。由圖5可知，當(dāng)對(duì)第3塊操作時(shí)，由于該塊為壞塊，所以跳過(guò)壞塊，對(duì)第4塊進(jìn)行操作；當(dāng)對(duì)第5塊進(jìn)行操作時(shí)，由于該塊為壞塊，并且下一個(gè)塊即第6塊也為壞塊，所以跳到第7塊進(jìn)行操作。仿真結(jié)果表明，該壞塊管理中壞塊查詢(xún)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)辨別當(dāng)前存儲(chǔ)塊是否為壞塊，并且跳過(guò)壞塊的功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中的大容量數(shù)據(jù)記錄儀的存儲(chǔ)板由9片NAND Flash串聯(lián)組成，存儲(chǔ)容量大，出現(xiàn)壞塊問(wèn)題的可能也多，因此提出了一種基于FPGA存儲(chǔ)壞塊地址信息的壞塊管理方案，來(lái)解決存儲(chǔ)板中的壞塊管理問(wèn)題。仿真分析表明，該壞塊管理方案能夠有效地解決NAND Flash的壞塊管理問(wèn)題，具有占用FPGA資源少的優(yōu)點(diǎn)，也可供其他類(lèi)型的大容量數(shù)據(jù)記錄儀作為參考。

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