nand flash 是一種高密度低成本的儲存體，它在各種各樣的嵌入式系統中獲得了廣泛的應用， usb 儲存裝置、sd 卡、手機、相機和固態硬碟等各種裝置中使用的都是 nand 晶元。其內部結構是按照塊/頁進行組織的，乙個 nand 晶元包含若干個塊，而塊內部又是由若干個頁構成的。nand 晶元出廠時就可能包含若干個壞塊，在使用過程中也可能會產生新的壞塊，當乙個塊被標記為壞塊後，不應再對其寫入資料，以免出現資料丟失。由於 nand 擦寫次數是有限的，而且會在使用過程中產生新的壞塊，一般都需要額外的軟體或硬體來配合它進行使用。
目前，nand 壞塊管理方法可分為如下幾類：
圖 1 展示了幾種典型的嵌入式系統中 nand 內部的內容布局。如果需要頻繁地對 nand 寫入各種資料，最好使用 nand 檔案系統或者 nand 管理中介軟體對需要寫入的區域進行管理。而那些很少需要更新的區域，比如 bootloader、vpd 和 kernel，只需進行輕量級的壞塊管理，不需要進行負載平均。很多的嵌入式系統中，需要寫入 nand 的資料量很少，頻度也較低，比如路由器、印表機、plc 等，這些系統完全可以僅使用輕量級的壞塊管理方式。
圖 1.典型嵌入式系統的 nand memory map
nand 壞塊管理都是基於壞塊表(bbt)的，通過這張表來標識系統中的所有壞塊。所以，不同的管理方法之間的差異可以通過以下幾個問題來找到答案。
uboot 是目前使用最為廣泛的 bootloader，它提供了兩種輕量級壞塊管理方法，可稱之為基本型和改進型。通過下表，我們可以看到兩者的差異。
表 1. uboot 的兩種壞塊管理方法對比
基本型改進型初始化、讀取 bbt
系統每次初始化時，掃瞄整個 nand，讀取所有塊的出廠壞塊標誌，建立 bbt，占用較多啟動時間。
系統第一次初始化時，掃瞄整清單 1. bbm 頭信個 nand 建立 bbt。之後每次初始化時，掃瞄 bbt 所在區域，如果發現當前塊的簽名和壞塊表的簽名(乙個特定的字串)相符，就讀取當前塊的資料作為 bbt。
更新 bbt
擦寫操作產生新的壞塊時，更新記憶體中的 bbt，同時將壞塊的出廠壞塊標記從 0xff 改為 0x00。
擦寫出錯後仍然對壞塊進行操作—更改出廠壞塊標記，存在安全風險。而且，也無法區分哪些是出廠壞塊，哪些是使用過程中產生的壞塊。
擦寫操作產生新的壞塊時，更新記憶體中的 bbt，同時將更新後的 bbt 立刻寫入 nand 或其他 nvram 中。
儲存 bbt
不儲存在 nand 或其他 nvram 中儲存乙份，無掉電保護機制。
壞塊替換方法
如果當前塊是壞塊，將資料寫入下乙個塊。
如果當前塊是壞塊，將資料寫入下乙個塊。
雖然 uboot 的改進型壞塊管理方法的做了一些改進，但它仍然有三個主要的缺點。
出現壞塊，則將資料順序寫入下乙個好塊。如果 nand 中存放了多個軟體模組，則每個模組都需要預留乙個較大的空間作為備用的好塊，這會浪費較多的 nand 空間。通常，每個模組預留的備用好塊數為 nand 晶元所允許的最大壞塊數，該值因不同的晶元而有所不同，典型值為 20 或 80。假設 nand 是大頁型別，總共有 n 個模組，則總共需要預留的空間大小為 n*80*128kb。
讀取 bbt 時僅檢查簽名，沒有對 bbt 的資料做校驗。
沒有掉電保護機制。如果在儲存 bbt 時斷電，bbt 將丟失。
針對現有管理方法的缺陷，本文提出了一種更加安全高效的管理方法，將從以下三個方面闡述其實現原理。
首先，使用乙個統一的備用好塊池，為所有存放在 nand 中的模組提供可替換的好塊。這樣，就不需要在每個模組後面放置乙個保留區，提高了 nand 的空間利用率。
圖 2. 共用好塊池示意圖
為了實現共用好塊池，需要建立乙個從壞塊到好塊的對映，所以，除了 bbt 之外，還需定義乙個替換表(sbt)。這樣一來，當讀第 i 個塊的資料時，如果發現 bbt 中記錄該塊為壞塊，就去 sbt 中查詢其替換塊；如果寫第 i 個塊出錯，需要在 bbt 中標記該塊為壞塊，同時從好塊池中獲取乙個新的好塊，假設其序號為 j，然後將此好塊的序號 j 寫入 sbt 中的第 i 個位元組，而且 sbt 的第 j 個位元組寫序號 i。sbt 中的這種雙向對映可確保資料的可靠性。此外，好塊池中的塊也有可能成為壞塊，如果掃瞄時發現是壞塊，則將 sbt 中的對應位置標記為 0x00，如果是在寫的過程中出錯，則除了在 sbt 對應位置標記 0x00 之外，還要更新雙向對映資料。
圖 3. bbt/sbt 對映示意圖
傳統方法僅檢查 bbt 所在塊的簽名，將讀到的前幾個位元組和乙個特徵字串進行比較，如果一致，就認為當前塊的資料為 bbt，然後讀取接下來的 bbt 資料，但並不對 bbt 的資料做校驗。如果 bbt 儲存在 nand 中，資料的有效性是可以得到驗證的，因為 nand 控制器或驅動一般都會對資料做 ecc 校驗。但是，大多數控制器使用的 ecc 演算法也僅僅能糾正乙個 bit、發現 2 兩個 bit 的錯誤。如果 bbt 儲存在其他的沒有 ecc 校驗機制的儲存體中，比如 nor flash，沒有對 bbt 的資料進行校驗顯然是不安全的。
為了更加可靠和靈活地驗證 bbt/sbt 資料，定義下面這個結構體來描述 bbm 資訊。
清單 1. bbm 頭資訊
typedef struct bbm_head圖 4. bbt/sbt 的儲存形式
使用三重 crc 校驗機制，無論 bbt 儲存在哪種儲存體中，都可以更加嚴格地驗證資料的有效性。
傳統的方法僅儲存乙份 bbt 資料，如果在寫 bbt 時系統掉電，則 bbt 丟失，系統將可能無法正常啟動或工作。為安全起見，本文所述方法將同時保留三個備份，如果在寫某個備份時掉電，則還有兩個完好的備份。最壞的情況是，如果在寫第乙個備份時掉電，則當前最新的乙個壞塊資訊丟失。
讀取壞塊表時，順序讀取三個備份，如果發現三個備份的資料不一致，用記錄的壞塊數最多的備份為當前的有效備份，同時立刻更新另外兩備份。
本文介紹了幾類 nand 壞塊管理方法，指出了 uboot 的輕量級管理方法的缺陷，提出了一種改進的方法，提高了 nand 的利用率及壞塊管理的安全性，可對嵌入式開發起到有很好的借鑑作用。
NAND 壞塊管理
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