nand flash檔案系統方案及其可靠性設計
隨著嵌入式系統在消費電子，資料採集和工業控制等領域得到越來越廣泛的應用。各個領域都對嵌入式系統提出了更高的要求。作為嵌入式系統中最重要的組成部分，儲存系統呈現出了較快的發展速度。nand flash作為一種安全、快速的儲存體，具有體積小、容量大、成本低、以及更多的擦除次數等一系列優點，已成為嵌入式系統中資料和程式最主要的載體。由於nand flash在結構和操作方式上與硬碟、e2rom等其他儲存介質有較大區別，使用nand flash時必須根據其自身特性，對檔案系統進行特殊設計，以保證系統的效能達到最優。同時由於工藝和使用環境的問題，nand flash儲存器中不可避免的會出現壞塊，因此必須提出有效的壞塊處理方法，以解決壞塊問題，實現儲存系統的高可靠性。
1 nand flash特點
1.1 區塊結構
nand flash儲存器內部分為若干個儲存單元塊（block）,每個儲存單元塊又分為若干個頁（page），儲存單元塊是最小的擦除單位，頁是寫入資料的最小單位。
1.2 先擦後寫
由於flash的寫操作只能將資料位從1寫成0，不能從0寫成1，所以在對儲存器進行寫入之前必須先執行擦操作，將預寫入的資料位初始化為1。擦操作的最小單位是乙個區塊，而不是單個位元組。
1.3 操作指令
nand flash的操作不能像ram那樣，直接對目標位址進行匯流排操作。比如執行一次寫操作，它必須完成一段時序才能將資料寫入到flash中。
1.4 壞塊
nand flash的壞塊是隨機分布的，可能在出廠時就存在壞塊，也可能在使用過程中，導致某些區塊的損壞。區塊一旦損壞，將無法進行修復。如果對已損壞的區塊進行操作，可能會帶來不可**的錯誤。
2 nand flash 檔案系統的設計
將整個檔案系統分為兩個層次，第一層,直接和物理硬體接觸，管理flash物理儲存器，第二層,在基層之上,實現檔案管理，如實現fat。
2.1 第一層
2.1.1 實體地址到邏輯位址的對映
為了在nand flash實體地址和fat操作的邏輯位址之間建立乙個好的對映關係,須對nand flash的儲存空間在邏輯上進行了重新定義。物理上整個flash劃分為若干儲存單元塊，每個儲存單元塊內部分成若干物理頁，每個物理頁又可以分為基本的資料區和其它資訊保留區（如安全性）。邏輯上將整個儲存器劃分為若干簇，以簇作為最小儲存單位。確定好簇和物理頁及物理區塊的對應關係後,實體地址到邏輯位址的對映也就確定了。
2.1.2可靠性設計
乙個完善的檔案系統需要有良好的可靠性。籠統的講,可靠性的實現,需要儲存器資訊的支援。
2.1.3 均衡擦寫次數
由於nand flash有一定的使用壽命，所以要盡量避免頻繁地對同一塊位址操作，以免造成區域性單元提前損壞，可以設計演算法，將nand flash中要更新的資料直接寫入乙個空塊中，降低由於nand flash先擦除後寫入的特性帶來的對塊的頻繁擦除。
2.2 fat設計
在nand flash上，建立了fat檔案系統來對檔案操作進行管理。將fat檔案系統具體分為以下四部分：
2.2.1 fat的引導區
該引導區存放**所需的資訊及最重要的檔案系統資訊。這些資訊包括了nand flash儲存器的型別、容量以及劃分成多少個簇；每個簇包含多少扇區、fat表數目、保留扇區數、根目錄的首簇號及根目錄入口數、版本資訊等等。引導扇區是在格式化nand flash時生成的。
2.2.2 fat的檔案分配表
檔案分配表存放檔案所占用的儲存空間簇鏈以及nand flash儲存器的占用和空閒空間的情況。為了防止檔案分配表損壞而引起檔案的丟失，可以在系統中儲存兩個相同的檔案分配表
(下轉第1324頁)
(上接第1320頁)
fat1和fat2,以改善其安全性。在檔案系統的操作中，程式對fat表結構的兩個備份進行順次修改，以此確保flash儲存器上總是存有一整套完好的檔案分配表。系統對fat表的訪問原理如下：訪問檔案時先從要目錄中找到該檔案的目錄項，從中讀出首簇號。然後在fat中找到從該首簇號開始的簇鏈，簇鏈上的簇號即為檔案依次存放的位置，這樣便可以進行資料讀寫了。
2.2.3 fat的根目錄區
fat的根目錄區是固定大小的緊跟在fat表後的區域。fat16中將從fat區之後緊跟的32個扇區作為根目錄區,可以儲存512個目錄項。每個目錄項記錄了該檔案的檔名、檔案屬性、檔案大小、檔案建立的日期和時間以及檔案在資料區中所佔的首簇號，即該檔案在fat表中的入口等資料。
2.2.4 fat的資料區
資料區存在檔案的資料內容。檔案系統對資料區的儲存空間是按簇進行劃分和管理的。
3 nand flash可靠性設計
由於工藝和使用環境的問題，nand flash 儲存器中不可避免的會出現壞塊，這一弱點長期影響儲存的可靠性，帶來不可**的後果，因此如果能解決壞塊問題，將大大提公升nand flash 的可靠性。本文提出一種在檔案系統底層解決壞塊問題的方法，即利用flash儲存器上未使用的空間來代替壞塊，同時在fat表中標記出損壞的壞塊資訊，避免以後對壞塊進行讀寫。具體方案如下。
3.1 壞塊發現
nand flash對儲存器的寫入採用先擦後寫的流程，擦除的最小單位為1個block，寫入的最小單位為乙個page。在寫入資料時，先在記憶體中申請1個block大小的緩衝區，然後在儲存空間找到要寫入資料的page所在的block，將該block全部讀入緩衝區，在緩衝區中將資料寫入相應的page，寫完後，將該block寫入flash，若在寫入flash時多次報錯則判定該block為壞塊
3.2 壞塊處理
3.2.1 在記憶體裡建立檔案系統的反向簇鏈，方便進行壞塊的替換。
3.2.2 備份壞塊對應簇的fat表項，在fat表中標記出該壞塊的資訊。
3.2.3 尋找替換空間
以1個block包含32個page，1個簇包含16個page，即1個block包含2個簇為例進行說明，壞塊n包含x,x+1簇，首先從flash的末尾處開始尋找空閒塊，找到即進行整塊的替換，見圖1。
圖1 替代塊
若一直尋找到資料區的開頭都沒有空閒塊，則重新尋找空閒簇，以簇為單位進行替換，如圖2，假設y,z分別為x,x+1的替換簇，由於簇在物理空間上並不一定連續，因此在進行簇的替換時可能會出現3種情況：
情況1：替換簇不在壞塊中，即y,z不在壞塊n中
處理方法：直接進行簇的替換，將備份的索引號，直接賦值給替換簇的fat表項，同時更新反向簇鏈。
情況2：替換簇在壞塊中，即y或者z也在壞塊n中，這時要再分兩種情況
情況2.1 替換簇在被替換簇之前
處理方法：因為替換簇自己在之前已經被替換，所以要備份之前更新fat表時替換的新簇簇號，根據兩壞簇間距離，到替換簇號備份中查詢其應對應的簇號，來更新當前簇的鏈結，同時更新反向fat表。
情況2.2 替換簇在被替換簇之後
處理方法：因為替換簇是壞簇，其替換的位置未知，所以只更新反向fat表，其本身的fat表項到更新替換簇的前續節點時再做更新。最後查詢反向fat表，將替換的各個新簇接回其前續節點。
圖2 替代簇
如果fat表中已經沒有空閒簇則報錯，該方案完成。
使用一塊32m的nand flash，將測試**先寫入一塊資料，然後讀出資料進行校驗的方法對上述方案進行論證，通過兩個星期反覆的讀寫，結論為：在沒有採用壞塊處理程式之前，由於壞塊的存在，導致寫入的資料在大約12m之後全部丟失，採用壞塊處理程式之後，執行的兩周內沒有任何校驗錯誤。由此可見其可靠性得到很大提公升。
4 結語
通過上述對nand flash檔案系統的設計，使得nand flash的效能大大優化，能夠滿足各個領域對嵌入式儲存器越來越高的要求，同時在面對nand flash所固有的壞塊問題上，通過上述壞塊處理的演算法，很好的解決了在nand flash 儲存介質上運用fat檔案系統的壞塊問題，增加了整個嵌入式系統的儲存可靠性。
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