1 引言

隨著U盤、數碼相機、mp3音樂播放器等移動設備的廣泛應用，FLASH存儲器已經逐步取代其它半導體存儲元件，成為嵌入式系統中主要數據和程序的載體。NAND FLASH是一種可在線多次擦除的非易失性存儲器，其結構提供了極高的單元密度，可以達到數據的高密度存儲，并且寫入和擦除的速度也很快，所以 NAND FLASH是高密度數據存儲的理想［2］ 。本文主要從物理層，邏輯層和驅動文件系統接口層三個方面具體分析NAND FLASH驅動程序的實現。

2 物理層驅動實現

NAND芯片的存儲空間是按照塊和頁的概念來組織的?，F在市面上的NAND主要按大頁和小頁兩種存儲類型來進行數據管理。本文采用的NAND型號是K9F1G08X0A，該NAND為大頁結構，即芯片每塊（）有64頁（Page），每頁有2K 的數據存儲區和64的冗余數據區（用來存放ECC校驗碼）。2K 的數據存儲區作為數據緩沖單元，用來實現I/0緩沖和存儲器之間的數據傳輸。芯片的存儲陣列組織如圖１所示。

NAND FLASH的物理層驅動主要涉及到：NAND的初始化（ID以及相關屬性信息的讀?。?、擦除（以塊作為單位），數據讀寫（以頁作為基本單位）。在這一系列的過程中，會涉及到NAND命令的發送以及NAND地址的發送。其中地址的發送會因NAND型號的不同而有所區別。一般來說，小頁的NAND其地址周期通常為4個：1個列地址（Column Address）和3個行地址（Row Address），而對大頁的NAND來說，列地址至少是2個周期，行地址會因芯片的容量大小而有所區別。本文采用的三星NAND芯片是２個列地址和２個行地址。對于NAND FLASH 來講，地址和命令只能在I/O［7:0］上并行傳遞。NAND FLASH 以頁為單位讀寫數據，而以塊為單位擦除數據。NAND的數據傳輸方式有基本的I/O傳輸方式，即在I/O［7:0］數據線上進行的數據傳輸。這種操作的缺點是系統CPU要頻繁參與控制數據的傳輸，會影響到數據傳輸速度。本文采用DMA傳輸方式，數據寬度是8/16/32bit，通過中斷的形式通知CPU數據的傳輸情況，DMA傳輸主要涉及DMA 控制器的配置以及通道的選擇。

3 邏輯層驅動實現以及壞塊管理機制

3.1 邏輯基本讀寫操作

驅動邏輯層的主要任務是整合物理層的驅動，并為文件系統驅動層提供接口。在該層中主要涉及的操作包括NAND 的邏輯讀、寫以及擦除。邏輯層對NAND 的操作都是以塊（）作為單位來進行操作的。因此須在邏輯層中構建一個塊緩存（ Buffer）來臨時存放讀出/寫入NAND 的數據。這樣，NAND 的讀取機制分為兩種：頁讀?。≒age ）和塊讀?。˙lock）。在頁讀取時，通過壞塊表進行索引指定塊（Block）和頁（Page）來進行數據讀操作，而塊讀取時則是通過整合頁讀取時的緩存數據，把NAND 的數據以塊的形式進行緩存（BlockBuffer）。NAND 的寫入機制不像其它的FLASH 器件，NAND 要求在寫入數據時，首先必須進行數據的擦除。因此我們在寫數據的時候，先把將要被寫入的數據塊的內容讀出到塊緩存，然后再把要寫入NAND 的數據以頁為單位的形式寫入塊緩存（Block Buffer）中的對應地址。接著把以前存放數據的塊進行擦除操作，最后把更新的數據寫到NAND 去。經過這一系列的操作，實現了NAND 數據的邏輯寫入。圖2 說明了一次寫操作的具體流程。

3.2 壞塊管理機制的原理及實現

NAND 由于采用了高密集的存儲單元，在使用過程中難免會損壞一些存儲單元，這就是我們所說的壞塊［3］。數據操作時應該避免對這些壞塊進行操作，否則會引起數據的錯誤。

一般而言，NAND 的第0 塊常被用來作為程序的引導區，因此NAND 芯片廠商會保證第0塊不會成為壞區。而作為0 塊以后的數據存儲塊，當壞塊產生時，系統級的設計必須能夠用地址映射把這些壞塊屏蔽掉。芯片在出廠時，除保存壞塊信息的區域外，部分一律被擦除（值為0xFF），對壞塊的讀操作是允許的，但不推薦進行寫和擦除操作，以免由于結構方面的原因使鄰近的塊也失效。系統設計時必須根據初始的壞塊信息識別出壞塊，并建立壞塊列表。進行寫或擦除操作時將欲操作塊的地址與壞塊地址表的地址相比較，若是壞塊則應跳過。芯片在使用過程中，可能有新壞塊的產生，為了系統的可靠性，必須對此情況加以考慮。

在數據寫入或塊擦除操作后，如果讀狀態寄存器出現錯誤，則表示塊內有壞頁存在，也即表明此塊已壞，因為塊內壞頁的存在并不影響頁的讀寫，這時可采用塊操作來把頁內有用數據轉移到空閑塊內，并把壞塊信息存入壞塊表中。因此，當我們在格式化NAND的時候，要給出一定的區域用來存放壞塊索引表和壞塊表?？紤]到一個塊（Block）的大小為128KB，而現在市面上的一般的NAND的容量大小為128MB-2GB不等。故分配10 個塊（Block）來進行存儲。由于第0 塊為用戶不可見塊，實際要求為1-11 塊作為存儲空間。圖 3 表明了如何建立壞塊索引表和壞塊表的流程。

其中，在壞塊索引（BBTINDEX）中，整型變量bitIsBadBlock 中的每一個bit，標記一個塊的狀態（1 表示壞塊，0 表示好塊），在ARM 體系中，可以標記32 個塊。該區域被稱為一個索引區域。整型變量mPosInBBT 表示如果有壞塊，則表示索引區域在壞塊表中的偏移。

這樣通過定義一個索引tableTopPos 變量，來指示下一個壞塊在數組中的位置。同樣在壞塊表（BBTENTRY）中，整型變量mBadBlock 標志塊是壞塊，而mReplaceBlock 變量則表示該壞塊在備份區中對應的可以的好塊。這樣通過定義一個索引bakupTopPos 變量，來指示下一個壞塊在備用區的位置。通過結合壞塊索引和壞塊表，可以對數據進行準確的操作，而每次對NAND 操作完成后，及時地更新壞塊索引和壞塊表。

4 文件系統層的接口實現

現在一般對NAND 支持的文件系統用的最多的是YAFFS 文件系統。本文由于基于的操作系統平臺是uC/OS，故采用了uC/FS 文件系統作為NAND 的文件驅動接口，uC/FS 文件系統進行的操作都是基于FAT 文件格式的。對用戶來說，所用對NAND 的操作，都是通過文件接口層來完成的。文件接口層對數據的操作都是以扇區（Sector）來進行的。因此，文件接口層的主要任務是把從邏輯層的邏輯操作轉化為以扇區（Sector）為單位的操作，文件系統的接口函數主要通過一個結構體 （FS___）來進行描述［4］，該結構體包含了驅動設備的名稱以及4 個基本的驅動設備掛接函數的函數指針。

在這幾個函數中，dev_status（）函數主要實現FAT 表狀態信息的讀取，并表明該NAND 設備可以使用；dev_（）函數實現對NAND 進行文件系統塊數據的讀??；dev_write（）函數實現對NAND 進行文件系統塊數據的寫入；dev_（）函數則主要實現文件操作的相關指令，包括文件格式化，數據cache 回寫等操作。通過這幾個文件接口函數，用戶可以實現對NAND 進行的數據基本操作。

其中，mCache 數組大小為數據讀取時的存儲大小，由NAND 的文件系統遵循 標準決定，大小為512Byte；mTimes 表示被Cache 的塊（Sector）的命中次數，反映了數據塊的存取幾率；mSectorId 表示被Cache 塊（Sector）的序號，通過該序號來對Cache 的數據塊進行索引。

5 總結

對大容量的 NAND FLASH 進行數據操作，壞塊處理機制是很重要的，通過建立壞塊處理表，避免了對無效塊進行的操作，提高了數據的準確性。另外，ECC 作為NAND 糾錯機制，在NAND 驅動中也廣泛運用，本文的NAND 驅動中也加入了ECC 機制，由于篇幅有限，不對其進行深入探討。