NAND Flash介绍

Flash根据存储单元电路的不同，可以分为NOR Flash和NAND Flash。NOR Flash的数据线和地址线分开，可以实现和RAM一样的随机寻址功能。NAND Flash数据线和地址线复用，不能利用地址线随机寻址，读取时只能按页读取。

由于NAND Flash引脚上可复用，因此读取速度比NOR Flash慢，但是擦除和写入速度更快，并且由于NAND Flash内部电路简单，数据密度大，体积小，成本低，因此大容量的Flash都是NAND型的，而小容量（2～12MB）的Flash大多为NOR型。
在使用寿命上，NAND Flash的可擦除次数是NOR Flash的数倍。另外，NAND Flash可以标记坏块，从而使软件跳过坏块，而NOR Flash一旦损坏则无法再使用。

以NAND Flash芯片HY27UF081G2A为例，该芯片通过EXMC接口，与微控制器连接，如下图所示。本文并不介绍该芯片的具体用法，而是介绍管理NAND Flash所需要的ECC算法、FTL等。

ECC算法

由于Nand Flash串行组织的存储结构，数据读取时，读出放大器所检测的信号强度会被削弱，降低信号的准确性，导致读数出错，通常采用ECC算法进行数据检测及校准。

ECC（Error Checking and Correction）是一种错误检测和校准的算法。NAND Flash数据产生错误时一般只有1bit出错，而ECC能纠正1bit错误和检测2bit的错误，并且计算速度快，但缺点是无法纠正1bit以上的错误，且不确保能检测2bit以上的错误（至于为什么，可以看下面的原理介绍再思考一下）。

ECC算法的基本原理如下：假设对512个字节的数据进行校验，那么将这些数据视为512行、8列的矩阵，即每行表示1字节数据，矩阵的每个元素表示1位（bit），如下图所示。校验过程分为行校验和列校验（下面将bitn中的n称为索引值）。

列校验：首先将矩阵每个列进行异或，得到如上图所示1号阴影区域的8位数据。其次每次取出4位并进行异或，重复进行6次，将得到的6位数据称为CP0~CP5：
CP0=bit0 ^bit2 ^bit4 ^bit8（每取1位隔1位，索引值对应二进制的bit0为0的位）
CP1=bit1 ^bit3 ^bit5 ^bit7（每隔1位取1位，索引值对应二进制的bit0为1的位）
CP2=bit0 ^bit1 ^bit4 ^bit5（每取2位隔2位，索引值对应二进制的bit1为0的位）
CP3=bit2 ^bit3 ^bit6 ^bit7（每隔2位取2位，索引值对应二进制的bit1为1的位）
CP4=bit0 ^bit1 ^bit2 ^bit3（每取4位隔4位，索引值对应二进制的bit2为0的位）
CP5=bit4 ^bit5 ^bit6 ^bit7（每隔4位取4位，索引值对应二进制的bit2为1的位）

列校验最终得到的校验值即为上述6位数据。

行校验：首先将矩阵每个行进行异或，得到如上图所示2号阴影区域的512位数据。其次每次取出256位并进行异或，重复进行18次，将得到的数据称为RP0~RP17：
RP0=bit0 ^bit2 ^bit4 ^… ^bit510（每取1位隔1位，索引值对应二进制的bit0为0的位）
RP1=bit1 ^bit3 ^bit5 ^… ^bit511（每隔1位取1位，索引值对应二进制的bit0为1的位）
RP2=bit0 ^bit1 ^bit4 ^bit5 ^… ^bit508 ^bit509（每取2位隔2位，索引值对应二进制的bit1为0的位）
RP3=bit2 ^bit3 ^bit6 ^bit7 ^… ^bit510 ^bit511（每隔2位取2位，索引值对应二进制的bit1为1的位）
……
RP16=bit0 ^bit1 ^… ^bit254 ^bit255（每取256位隔256位，索引值对应二进制的bit9为0的位）
RP17=bit256 ^bit257 ^… ^bit510 ^bit511（每隔256位取256位，索引值对应二进制的bit9为1的位）

行校验最终得到的校验值即为上述18位数据。

综上所述，通过汉明码编码的ECC校验，n字节的数据对应的校验值为2log2n+6位（log2n指以2为，n的对数）。校验值在对应数据写入Nand Flash时一同写入，被保存到空闲区域中（空闲区域是NAND Flash中特有的，用来存在除有效数据外的数据，比如校验值等）。微控制器读取对应数据时将对应校验值一同读取，并对数据进行再一次校验，将新得到的校验值与读取到的校验值进行异或，此时得到的结果为1表示校验码不同，可以判定产生了错误：如果新得到的CP1和读取到的CP1异或后为1，即两者不同，表示数据中的1、3、5、7列中存在错误，如果新得到的RP16和读取到的RP16异或后为1，表示数据中的0 ~ 255行中存在错误。校验值进行异或得到的结果有以下几种：

全为0表示数据无错误；
一半为1时，表示出现了1bit的错误，新得到的校验值与读取到的校验值中的CP5、CP3、CP1进行异或得到的3bit数据为错误位的列地址，RP2log2n-1、…、RP5、RP3、RP1进行异或得到的数据为错误位的行地址；
只有1位为1表示空闲区域出现错误；
其它情况则说明至少2bit数据错误。

一般器件出现2bit及以上的错误很少见，因此汉明码编码的ECC校验基本上够用。

一般EXMC模块中NAND Flash对应的Bank都包含带有ECC算法的硬件模块，因此ECC算法的使用实际上通过寄存器完成配置即可。

注意，NAND Flash芯片不会提供ECC计算的，只提供了空闲区域而已。ECC算法使用需要在存入数据时在微控制器中计算，并写入对应的空闲区域中。然后再读出时重新计算，并与写入值进行比较。

如果觉得上面的ECC算法很难理解，实际上可以看一下老鼠试毒这篇文章，原理有点像，通过有限位的变化，反推出大量数据中某个数据的变化。

FTL

NAND Flash在生产和使用过程中都有可能产生坏块，并且每个块的擦除次数有限，即超过一定次数后将无法擦除，也就产生了坏块（注意Flash只能由1变0，因此必须擦除才能正常写入）。坏块的存在使得NAND Flash物理地址不连续，而微控制器访问存储设备时要求地址连续，否则无法通过地址直接读写存储设备，因此一般添加闪存转换层FTL（Flash Translation Layer）完成对NAND Flash的操作。FTL的功能如下：

标记坏块
当通过读写数据或ECC校验检测出坏块时，需要将其标记以不再对该区域进行读写操作。坏块的标记一般是将空闲区域的第一个字节写入非0xFF的值来表示。
地址映射管理
FTL将逻辑地址映射到NAND Flash中可读写的物理地址，并创建相应的映射表，当处理器对相应的逻辑地址读写数据时，实际上是通过FTL读写Nand Flash中对应的物理地址，如下图所示。由于坏块导致的物理地址不连续，逻辑地址对应的物理地址不固定，逻辑地址1可能对应物理地址5，逻辑地址3可能对应物理地址2

3. 坏块管理和磨损均衡
坏块管理：当坏块产生后，用空闲并且可读写的块替代坏块在映射表中的位置，保证每个逻辑地址都映射到可读写的物理地址。例如上图的物理地址1损坏后，可以用还没使用的物理地址3187代替，这个时候使逻辑地址1对应该物理地址即可。
磨损均衡：向某个已写入值的块重新写入数据时，向其它块写入并使其替代原本已写入值的块在映射表中的位置，这是由于每个块的擦除及编程次数有限，为防止部分块访问次数过多而提前损坏，使得全部块尽可能地同时达到磨损阈值。例如想再次向上图的物理地址1写入，可以不再次擦除它，而是擦除还没使用的物理地址3187并将数据写入该物理地址，最后使逻辑地址1对应该物理地址即可。

参考代码

//Nand Flash操作定义
#define NAND_CMD_AREA       (*(__IO u8 *)(BANK_NAND_ADDR | EXMC_CMD_AREA))  //写命令
#define NAND_ADDR_AREA      (*(__IO u8 *)(BANK_NAND_ADDR | EXMC_ADDR_AREA)) //写地址
#define NAND_DATA_AREA      (*(__IO u8 *)(BANK_NAND_ADDR | EXMC_DATA_AREA)) //读写数据

ECC

写入数据后获取ECC并写入相应区域

u32 NandWritePage(u32 block, u32 page, u32 column, u8* buf, u32 len)
{……//设置写入地址NAND_CMD_AREA  = NAND_CMD_WRITE_1ST;           //发送写命令NAND_ADDR_AREA = (column >> 0) & 0xFF;         //列地址低位NAND_ADDR_AREA = (column >> 8) & 0xFF;         //列地址高位NAND_ADDR_AREA = (block << 6) | (page & 0x3F); //块地址和列地址NAND_ADDR_AREA = (block >> 2) & 0xFF;          //剩余块地址NandDelay(NAND_TADL_DELAY);                    //tADL等待延迟//写入数据byteCnt = 0;eccCnt = 0;for(i = 0; i < len; i++){//写入数据NAND_DATA_AREA = buf[i];//保存ECC值byteCnt++;if(byteCnt >= 512){//等待FIFO空标志位while(RESET == exmc_flag_get(EXMC_BANK1_NAND, EXMC_NAND_PCCARD_FLAG_FIFOE));//获取ECC值ecc[eccCnt] = exmc_ecc_get(EXMC_BANK1_NAND);  //用于获取对应ECC值的固件库函数eccCnt++;//清空计数byteCnt = 0;}}//计算写入ECC的spare区地址eccAddr = NAND_PAGE_SIZE + 16 + 4 * (column / 512);//设置写入Spare位置NandDelay(NAND_TADL_DELAY);             //tADL等待延迟NAND_CMD_AREA  = 0x85;                  //随机写命令NAND_ADDR_AREA = (eccAddr >> 0) & 0xFF; //随机写地址低位NAND_ADDR_AREA = (eccAddr >> 8) & 0xFF; //随机写地址高位NandDelay(NAND_TADL_DELAY);             //tADL等待延迟//将ECC写入Spare区指定位置for(i = 0; i < eccCnt; i++){NAND_DATA_AREA = (ecc[i] >> 0)  & 0xFF;NAND_DATA_AREA = (ecc[i] >> 8)  & 0xFF;NAND_DATA_AREA = (ecc[i] >> 16) & 0xFF;NAND_DATA_AREA = (ecc[i] >> 24) & 0xFF;}//发送写入结束命令NAND_CMD_AREA = NAND_CMD_WRITE_2ND;……
}

读出数据、获取ECC并重新计算ECC，校验

u32 NandReadPage(u32 block, u32 page, u32 column, u8* buf, u32 len)
{……//设置读取地址NAND_CMD_AREA  = NAND_CMD_READ1_1ST;           //发送读命令NAND_ADDR_AREA = (column >> 0) & 0xFF;         //列地址低位NAND_ADDR_AREA = (column >> 8) & 0xFF;         //列地址高位NAND_ADDR_AREA = (block << 6) | (page & 0x3F); //块地址和列地址NAND_ADDR_AREA = (block >> 2) & 0xFF;          //剩余块地址NAND_CMD_AREA  = NAND_CMD_READ1_2ND;           //读命令结束if(NANDWaitRB(0)) {return NAND_FAIL;}          //等待RB = 0if(NANDWaitRB(1)) {return NAND_FAIL;}          //等待RB = 1NandDelay(NAND_TRR_DELAY);                     //tRR延时等待//读取数据byteCnt = 0;eccCnt = 0;for(i = 0; i < len; i++){//读取数据buf[i] = NAND_DATA_AREA;//保存ECC值byteCnt++;if(byteCnt >= 512){//等待FIFO空标志位while(RESET == exmc_flag_get(EXMC_BANK1_NAND, EXMC_NAND_PCCARD_FLAG_FIFOE));//获取ECC值eccHard[eccCnt] = exmc_ecc_get(EXMC_BANK1_NAND);eccCnt++;//清空计数byteCnt = 0;}}//计算读取ECC的spare区地址eccAddr = NAND_PAGE_SIZE + 16 + 4 * (column / 512);//设置读取Spare位置NandDelay(NAND_TWHR_DELAY);             //tWHR等待延迟NAND_CMD_AREA  = 0x05;                  //随机读命令NAND_ADDR_AREA = (eccAddr >> 0) & 0xFF; //随机读地址低位NAND_ADDR_AREA = (eccAddr >> 8) & 0xFF; //随机读地址高位NAND_CMD_AREA  = 0xE0;                  //命令结束NandDelay(NAND_TWHR_DELAY);             //tWHR等待延迟NandDelay(NAND_TREA_DELAY);             //tREA等待延时//从Spare区指定位置读出之前写入的ECCfor(i = 0; i < eccCnt; i++){spare[0] = NAND_DATA_AREA;spare[1] = NAND_DATA_AREA;spare[2] = NAND_DATA_AREA;spare[3] = NAND_DATA_AREA;eccFlash[i] = ((u32)spare[3] << 24) | ((u32)spare[2] << 16) | ((u32)spare[1] << 8) | ((u32)spare[0] << 0);}//校验并尝试修复数据for(i = 0; i < eccCnt; i++){if(eccHard[i] != eccFlash[i]){if(0 != NandECCCorrection(buf + 512 * i, eccFlash[i], eccHard[i])){return NAND_FAIL;}}}//读取成功return NAND_OK;
}

ECC校正

u32 NandECCCorrection(u8* data, u32 eccrd, u32 ecccl)
{……eccrdo = NandECCGetOE(1, eccrd); //获取eccrd的奇数位eccrde = NandECCGetOE(0, eccrd); //获取eccrd的偶数位eccclo = NandECCGetOE(1, ecccl); //获取ecccl的奇数位ecccle = NandECCGetOE(0, ecccl); //获取ecccl的偶数位eccchk = eccrdo ^ eccrde ^ eccclo ^ ecccle;//全1,说明只有1bit ECC错误if(eccchk == 0xFFF) {errorpos = eccrdo ^ eccclo; printf("NandECCCorrection: errorpos:%d\r\n", errorpos); bytepos = errorpos / 8; data[bytepos] ^= 1 << (errorpos % 8);}//不是全1,说明至少有2bit ECC错误,无法修复else{printf("NandECCCorrection: 2bit ecc error or more\r\n");return 1;} return 0;
}

FTL

标记某一个块为坏块

void FTLBadBlockMark(u32 blockNum)
{//坏块标记mark，任意值都OK，只要不是0XFF//这里写前4个字节，方便FTL_FindUnusedBlock函数检查坏块(不检查备份区,以提高速度)u32 mark = 0xAAAAAAAA;//在第一个page的spare区，第一个字节做坏块标记(前4个字节都写)NandWriteSpare(blockNum, 0, 0, (u8*)&mark, 4);//在第二个page的spare区，第一个字节做坏块标记(备份用,前4个字节都写)NandWriteSpare(blockNum, 1, 0, (u8*)&mark, 4);
}

标记某一个块已经使用

u32 FTLSetBlockUseFlag(u32 blockNum)
{u8 flag = 0xCC;return NandWriteSpare(blockNum, 0, 1, (u8*)&flag, 1);
}

逻辑块号转换为物理块号

u32 FTLLogicNumToPhysicalNum(u32 logicNum)
{if(logicNum > s_structFTLDev.blockTotalNum){return INVALID_ADDR;}else{return s_structFTLDev.lut[logicNum];}
}

创建LUT表

LUT：显示查找表，在这里用于登记有效的块（即好块），并将其标记上对应的逻辑块编号（也就是使该物理块对应1个逻辑块）

u32 CreateLUT(void)
{u32 i;        //循环变量iu8  spare[6]; //Spare前6个字节数据u32 logicNum; //逻辑块编号//清空LUT表for(i = 0; i < s_structFTLDev.blockTotalNum; i++){s_structFTLDev.lut[i] = INVALID_ADDR;}s_structFTLDev.goodBlockNum = 0;s_structFTLDev.validBlockNum = 0;//读取NandFlash中的LUT表for(i = 0; i < s_structFTLDev.blockTotalNum; i++){//读取Spare区NandReadSpare(i, 0, 0, spare, 6);if(0xFF == spare[0]){NandReadSpare(i, 1, 0, spare, 1);}//是好快if(0xFF == spare[0]){//得到逻辑块编号logicNum = ((u32)spare[5] << 24) | ((u32)spare[4] << 16) | ((u32)spare[3] << 8) | ((u32)spare[2] << 0);//逻辑块号肯定小于总的块数量if(logicNum < s_structFTLDev.blockTotalNum){//更新LUT表s_structFTLDev.lut[logicNum] = i;}//好块计数s_structFTLDev.goodBlockNum++;}else{printf("CreateLUT: bad block index:%d\r\n",i);}}//LUT表建立完成以后检查有效块个数for(i = 0; i < s_structFTLDev.blockTotalNum; i++){if(s_structFTLDev.lut[i] < s_structFTLDev.blockTotalNum){s_structFTLDev.validBlockNum++;}}//有效块数小于100,有问题.需要重新格式化if(s_structFTLDev.validBlockNum < 100){return 1;}//LUT表创建完成return 0;
}

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