說說NAND FLASH以及相關ECC校驗方法

 

Flash名稱的由來，Flash的擦除操作是以block塊為單位的，與此相對應的是其他很多存儲設備，是以bit位為最小讀取/寫入的單位，Flash是一次性地擦除整個塊：在發送一個擦除命令后，一次性地將一個block，常見的塊的大小是128KB/256KB，全部擦除為1，也就是里面的內容全部都是0xFF了，由於是一下子就擦除了，相對來說，擦除用的時間很短，可以用一閃而過來形容，所以，叫做Flash Memory。所以一般將Flash翻譯為 （快速）閃存。

 

NAND Flash 在嵌入式系統中有着廣泛的應用，負載平均和壞塊管理是與之相關的兩個核心議題。Uboot 和 Linux 系統對 NAND 的操作都封裝了對這兩個問題的處理方法。 本文首先講述Nandflash基礎知識，然后介紹現有的幾類壞塊管理（BBM）方法，通過分析典型嵌入式系統的 NAND 存儲表，指出了輕量級管理方法的優勢所在，分析了當前廣泛使用的輕量級管理方法，指出其缺陷所在並詳細說明了改進方法。

基礎知識 

Flash的硬件實現機制

Flash的內部存儲是MOSFET，里面有個懸浮門(Floating Gate)，是真正存儲數據的單元。

在Flash之前，紫外線可擦除(uv-erasable)的EPROM，就已經采用了Floating Gate存儲數據這一技術了。

典型的Flash內存物理結構 

數據在Flash內存單元中是以電荷(electrical charge) 形式存儲的。存儲電荷的多少，取決於圖中的外部門（external gate）所被施加的電壓，其控制了是向存儲單元中沖入電荷還是使其釋放電荷。而數據的表示，以所存儲的電荷的電壓是否超過一個特定的閾值Vth來表示，因此，Flash的存儲單元的默認值，不是0（其他常見的存儲設備，比如硬盤燈，默認值為0），而是1，而如果將電荷釋放掉，電壓降低到一定程度，表述數字0。

NandFlash的簡介 
Nand flash成本相對低，說白了就是便宜，缺點是使用中數據讀寫容易出錯，所以一般都需要有對應的軟件或者硬件的數據校驗算法，統稱為ECC。但優點是，相對來說容量比較大，現在常見的Nand Flash都是1GB，2GB，更大的8GB的都有了，相對來說，價格便宜，因此適合用來存儲大量的數據。其在嵌入式系統中的作用，相當於PC上的硬盤，用於存儲大量數據。 
SLC和MLC 
Nand Flash按照內部存儲數據單元的電壓的不同層次，也就是單個內存單元中，是存儲1位數據，還是多位數據，可以分為SLC和MLC。那么軟件如何識別系統上使用過的SLC還是MLC呢？ 
Nand Flash設計中，有個命令叫做Read ID，讀取ID，讀取好幾個字節，一般最少是4個，新的芯片，支持5個甚至更多，從這些字節中，可以解析出很多相關的信息，比如此Nand Flash內部是幾個芯片（chip）所組成的，每個chip包含了幾片（Plane），每一片中的頁大小，塊大小，等等。在這些信息中，其中有一個，就是識別此flash是SLC還是MLC。 

 oob / Redundant Area / Spare Area

每一個頁，對應還有一塊區域，叫做空閑區域（spare area）/冗余區域（redundant area），而Linux系統中，一般叫做OOB（Out Of Band），這個區域，是最初基於Nand Flash的硬件特性：數據在讀寫時候相對容易錯誤，所以為了保證數據的正確性，必須要有對應的檢測和糾錯機制，此機制被叫做EDC(Error Detection Code)/ECC（Error Code Correction, 或者 Error Checking and Correcting），所以設計了多余的區域，用於放置數據的校驗值。

Oob的讀寫操作，一般是隨着頁的操作一起完成的，即讀寫頁的時候，對應地就讀寫了oob。

關於oob具體用途，總結起來有：

1. 標記是否是壞快
2. 存儲ECC數據
3. 存儲一些和文件系統相關的數據。如jffs2就會用到這些空間存儲一些特定信息，而yaffs2文件系統，會在oob中，存放很多和自己文件系統相關的信息。

 

Bad Block Management壞塊管理

Nand Flash由於其物理特性，只有有限的擦寫次數，超過那個次數，基本上就是壞了。在使用過程中，有些Nand Flash的block會出現被用壞了，當發現了，要及時將此block標注為壞塊，不再使用。於此相關的管理工作，屬於Nand Flash的壞塊管理的一部分工作。

Wear-Leveling負載平衡

Nand Flash的block管理，還包括負載平衡。

正是由於Nand Flash的block，都是有一定壽命限制的，所以如果你每次都往同一個block擦除然后寫入數據，那么那個block就很容易被用壞了，所以我們要去管理一下，將這么多次的對同一個block的操作，平均分布到其他一些block上面，使得在block的使用上，相對較平均，這樣相對來說，可以更能充分利用Nand Flash。

 ECC錯誤校驗碼

Nand Flash物理特性上使得其數據讀寫過程中會發生一定幾率的錯誤，所以要有個對應的錯誤檢測和糾正的機制，於是才有此ECC，用於數據錯誤的檢測與糾正。Nand Flash的ECC，常見的算法有海明碼和BCH，這類算法的實現，可以是軟件也可以是硬件。不同系統，根據自己的需求，采用對應的軟件或者是硬件。

相對來說，硬件實現這類ECC算法，肯定要比軟件速度要快，但是多加了對應的硬件部分，所以成本相對要高些。如果系統對於性能要求不是很高，那么可以采用軟件實現這類ECC算法，但是由於增加了數據讀取和寫入前后要做的數據錯誤檢測和糾錯，所以性能相對要降低一些，即Nand Flash的讀取和寫入速度相對會有所影響。

其中，Linux中的軟件實現ECC算法，即NAND_ECC_SOFT模式，就是用的對應的海明碼。

而對於目前常見的MLC的Nand Flash來說，由於容量比較大，動輒2GB，4GB，8GB等，常用BCH算法。BCH算法，相對來說，算法比較復雜。

筆者由於水平有限，目前仍未完全搞懂BCH算法的原理。

BCH算法，通常是由對應的Nand Flash的Controller中，包含對應的硬件BCH ECC模塊，實現了BCH算法，而作為軟件方面，需要在讀取數據后，寫入數據之前，分別操作對應BCH相關的寄存器，設置成BCH模式，然后讀取對應的BCH狀態寄存器，得知是否有錯誤，和生成的BCH校驗碼，用於寫入。

其具體代碼是如何操作這些寄存器的，由於是和具體的硬件，具體的nand flash的controller不同而不同，無法用同一的代碼。如果你是nand flash驅動開發者，自然會得到對應的起nand flash的controller部分的datasheet，按照手冊說明，去操作即可。

不過，額外說明一下的是，關於BCH算法，往往是要從專門的做軟件算法的廠家購買的，但是Micron之前在網上放出一個免費版本的BCH算法。

位反轉

Nand Flash的位反轉現象，主要是由以下一些原因/效應所導致：

1. 漂移效應（Drifting Effects）

   漂移效應指的是，Nand Flash中cell的電壓值，慢慢地變了，變的和原始值不一樣了。

2. 編程干擾所產生的錯誤（Program-Disturb Errors）

   此現象有時候也叫做，過度編程效應（over-program effect）。

   對於某個頁面的編程操作，即寫操作，引起非相關的其他的頁面的某個位跳變了。

3. 讀操作干擾產生的錯誤（Read-Disturb Errors）

   此效應是，對一個頁進行數據讀取操作，卻使得對應的某個位的數據，產生了永久性的變化，即Nand Flash上的該位的值變了。

對應位反轉的類型，Nand Flash位反轉的類型和解決辦法，有兩種：

1. 一種是nand flash物理上的數據存儲的單元上的數據，是正確的，只是在讀取此數據出來的數據中的某位，發生變化，出現了位反轉，即讀取出來的數據中，某位錯了，本來是0變成1，或者本來是1變成0了。此處可以成為軟件上位反轉。此數據位的錯誤，當然可以通過一定的校驗算法檢測並糾正。
2. 另外一種，就是nand flash中的物理存儲單元中，對應的某個位，物理上發生了變化，原來是1的，變成了0，或原來是0的，變成了1，發生了物理上的位的數據變化。此處可以成為硬件上的位反轉。此錯誤，由於是物理上發生的，雖然讀取出來的數據的錯誤，可以通過軟件或硬件去檢測並糾正過來，但是物理上真正發生的位的變化，則沒辦法改變了。不過個人理解，好像也是可以通過擦除Erase整個數據塊Block的方式去擦除此錯誤，不過在之后的Nand Flash的使用過程中，估計此位還是很可能繼續發生同樣的硬件的位反轉的錯誤。

以上兩種類型的位反轉，其實對於從Nand Flash讀取出來的數據來說，解決其中的錯誤的位的方法，都是一樣的，即通過一定的校驗算法，常稱為ECC，去檢測出來，或檢測並糾正錯誤。

如果只是單獨檢測錯誤，那么如果發現數據有誤，那么再重新讀取一次即可。

實際中更多的做法是，ECC校驗發現有錯誤，會有對應的算法去找出哪位錯誤並且糾正過來。

其中對錯誤的檢測和糾正，具體的實現方式，有軟件算法，也有硬件實現，即硬件Nand Flash的控制器controller本身包含對應的硬件模塊以實現數據的校驗和糾錯的。

Nand Flash的一些typical特性

1. 頁擦除時間是200us，有些慢的有800us
2. 塊擦除時間是1.5ms
3. 頁數據讀取到數據寄存器的時間一般是20us
4. 串行訪問（Serial access）讀取一個數據的時間是25ns，而一些舊的Nand Flash是30ns，甚至是50ns
5. 輸入輸出端口是地址和數據以及命令一起multiplex復用的
6. Nand Flash的編程/擦除的壽命：即，最多允許10萬次的編程/擦除，達到和接近於之前常見的Nor Flash，幾乎是同樣的使用壽命了。
7. 封裝形式：48引腳的TSOP1封裝 或 52引腳的ULGA封裝

Nand Flash控制器與Nand Flash芯片

我們寫驅動，是寫Nand Flash 控制器的驅動，而不是Nand Flash 芯片的驅動，因為獨立的Nand Flash芯片，一般來說，是很少直接拿來用的，多數都是硬件上有對應的硬件的Nand Flash的控制器，去操作和控制Nand Flash，包括提供時鍾信號，提供硬件ECC校驗等等功能，我們所寫的驅動軟件，是去操作Nand Flash的控制器

然后由控制器去操作Nand Flash芯片，實現我們所要的功能。

由於Nand Flash讀取和編程操作來說，一般最小單位是頁，所以Nand Flash在硬件設計時候，就考慮到這一特性，對於每一片（Plane），都有一個對應的區域專門用於存放，將要寫入到物理存儲單元中去的或者剛從存儲單元中讀取出來的，一頁的數據，這個數據緩存區，本質上就是一個緩存buffer，但是只是此處datasheet里面把其叫做頁寄存器page register而已，實際將其理解為頁緩存，更貼切原意。

而正是因為有些人不了解此內部結構，才容易產生之前遇到的某人的誤解，以為內存里面的數據，通過Nand Flash的FIFO，寫入到Nand Flash里面去，就以為立刻實現了實際數據寫入到物理存儲單元中了，而實際上只是寫到了這個頁緩存中，只有當你再發送了對應的編程第二階段的確認命令，即0x10，之后，實際的編程動作才開始，才開始把頁緩存中的數據，一點點寫到物理存儲單元中去。

壞塊的標記

具體標記的地方是，對於現在常見的頁大小為2K的Nand Flash，是塊中第一個頁的oob起始位置的第1個字節（舊的小頁面，pagesize是512B甚至256B的Nand Flash，壞塊標記是第6個字節），如果不是0xFF，就說明是壞塊。相對應的是，所有正常的塊，好的塊，里面所有數據都是0xFF的。

對於壞塊的標記，本質上，也只是對應的flash上的某些字節的數據是非0xFF而已，所以，只要是數據，就是可以讀取和寫入的。也就意味着，可以寫入其他值，也就把這個壞塊標記信息破壞了。對於出廠時的壞塊，一般是不建議將標記好的信息擦除掉的。

uboot中有個命令是

nand scrub

就可以將塊中所有的內容都擦除了，包括壞塊標記，不論是出廠時的，還是后來使用過程中出現而新標記的。

nand erase

只擦除好的塊，對於已經標記壞塊的塊，不要輕易擦除掉，否則就很難區分哪些是出廠時就壞的，哪些是后來使用過程中用壞的了。

Uboot 的輕量級壞塊管理方法

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。

• 如何初始化和讀取壞塊表？
• 產生新的壞塊時，如何標記並更新壞塊表？
• 如何保存壞塊表？是否有保存時斷電保護機制?
• 對 NAND 寫入數據時，如果當前塊是壞塊，如何找到可替換的好塊？

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。

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。

1. 出現壞塊，則將數據順序寫入下一個好塊。如果 NAND 中存放了多個軟件模塊，則每個模塊都需要預留一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，每個模塊預留的備用好塊數為 NAND 芯片所允許的最大壞塊數，該值因不同的芯片而有所不同，典型值為 20 或 80。假設 NAND 是大頁類型，總共有 N 個模塊，則總共需要預留的空間大小為 N*80*128KB。
2. 讀取 BBT 時僅檢查簽名，沒有對 BBT 的數據做校驗。
3. 沒有掉電保護機制。如果在保存 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。

共用好塊池機制

首先，使用一個統一的備用好塊池，為所有存放在 NAND 中的模塊提供可替換的好塊。這樣，就不需要在每個模塊后面放置一個保留區，提高了 NAND 的空間利用率。

共用好塊池示意圖

為了實現共用好塊池，需要建立一個從壞塊到好塊的映射，所以，除了 BBT 之外，還需定義一個替換表(SBT)。這樣一來，當讀第 i 個塊的數據時，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一個新的好塊，假設其序號為 j，然后將此好塊的序號 j 寫入 SBT 中的第 i 個字節，而且 SBT 的第 j 個字節寫序號 i。SBT 中的這種雙向映射可確保數據的可靠性。此外，好塊池中的塊也有可能成為壞塊，如果掃描時發現是壞塊，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，還要更新雙向映射數據。

 BBT/SBT 映射示意圖

 

安全的 BBT/SBT 數據校驗機制

傳統方法僅檢查 BBT 所在塊的簽名，將讀到的前幾個字節和一個特征字符串進行比較，如果一致，就認為當前塊的數據為 BBT，然后讀取接下來的 BBT 數據，但並不對 BBT 的數據做校驗。如果 BBT 保存在 NAND 中，數據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數據做 ECC 校驗。但是，大多數控制器使用的 ECC 算法也僅僅能糾正一個 bit、發現 2 兩個 bit 的錯誤。如果 BBT 保存在其他的沒有 ECC 校驗機制的存儲體中，比如 NOR Flash，沒有對 BBT 的數據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 數據，定義下面這個結構體來描述 BBM 信息。

BBM 頭信息

typedef struct {
UINT8     acSignature[4];/* BBM 簽名 */
UINT32    ulBBToffset;/* BBT 偏移 */ UINT32 ulSBToffset;/* SBT 偏移 */ UINT16 usBlockNum;/* BBM 管理的 block 數目 */ UINT16 usSBTstart;/* SBT 所在位置的起始 block 序號 */ UINT16 usSBtop;/* SBT top block */ UINT16 usSBnum;/* SBT number */ UINT32 ulBBTcrc;/* BBT 數據 CRC 校驗碼 */ UINT32 ulSBTcrc;/* SBT 數據 CRC 校驗碼 */ UINT32 ulHeadcrc;/* BBM 頭信息 CRC 校驗碼 */ } BBM_HEAD

BBT/SBT 的保存形式

使用三重 CRC 校驗機制，無論 BBT 保存在哪種存儲體中，都可以更加嚴格地驗證數據的有效性。

安全的掉電保存機制

傳統的方法僅保存一份 BBT 數據，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，如果在寫第一個備份時掉電，則當前最新的一個壞塊信息丟失。

讀取壞塊表時，順序讀取三個備份，如果發現三個備份的數據不一致，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。

總結

本文介紹了NandFlash基礎知識和幾類 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鑒作用。

ECC定義

ECC校驗是一種內存糾錯原理，它是比較先進的內存錯誤檢查和更正的手段。 ECC內存即糾錯內存，簡單的說，其具有發現錯誤，糾正錯誤的功能，一般多應用在高檔台式電腦/服務器及 圖形工作站上，這將使整個電腦系統在工作時更趨於安全穩定。

 

技術原理

內存是一種電子器件，在其工作過程中難免會出現錯誤，而對於穩定性要求高的用戶來說，內存錯誤可能會引起致命性的問題。內存錯誤根據其原因還可分為 硬錯誤和軟錯誤。硬件錯誤是由於硬件的損害或缺陷造成的，因此數據總是不正確，此類錯誤是無法糾正的；軟錯誤是隨機出現的，例如在內存附近突然出現 電子干擾等因素都可能造成內存軟錯誤的發生。

為了能檢測和糾正內存軟錯誤，在 ECC技術出現之前，首先出現的是內存“ 奇偶校驗（Parity）”。內存中最小的單位是比特，也稱為“位（bit）”，位有只有兩種狀態分別以1和0來標示，每8個連續的比特叫做一個字節（byte）。不帶奇偶校驗的內存每個字節只有8位，如果其某一位存儲了錯誤的值，就會導致其存儲的相應數據發生變化，進而導致應用程序發生錯誤。而奇偶校驗就是在每一字節（8位）之外又增加了一位作為錯誤檢測位。在某字節中存儲數據之后，在其8個位上存儲的數據是固定的，因為位只能有兩種狀態1或0，假設存儲的數據用位標示為1、1、1、0、0、1、0、1，那么把每個位相加（1+1+1+0+0+1+0+1=5），結果是奇數。對於 偶校驗，校驗位就定義為1，反之則為0；對於 奇校驗，則相反。當CPU讀取存儲的數據時，它會再次把前8位中存儲的數據相加，計算結果是否與 校驗位相一致。從而一定程度上能檢測出內存錯誤， 奇偶校驗只能檢測出錯誤而無法對其進行修正，同時雖然雙位同時發生錯誤的概率相當低，奇偶校驗卻無法檢測出雙位錯誤。

通過上面的分析我們知道 Parity內存是通過在原來 數據位的基礎上增加一個數據位來檢查當前8位數據的正確性，但隨着數據位的增加Parity用來檢驗的數據位也成倍增加，就是說當數據位為16位時它需要增加2位用於檢查，當數據位為32位時則需增加4位，依此類推。特別是當數據量非常大時，數據出錯的幾率也就越大，對於只能糾正簡單錯誤的奇偶檢驗的方法就顯得力不從心了，正是基於這樣一種情況，一種新的內存技術應允而生了，這就是 ECC（錯誤檢查和糾正），這種技術也是在原來的數據位上外加校驗位來實現的。不同的是兩者增加的方法不一樣，這也就導致了兩者的主要功能不太一樣。它與 Parity不同的是如果 數據位是8位，則需要增加5位來進行ECC錯誤檢查和糾正，數據位每增加一倍，ECC只增加一位檢驗位，也就是說當數據位為16位時ECC位為6位，32位時ECC位為7位，數據位為64位時ECC位為8位，依此類推，數據位每增加一倍，ECC位只增加一位。總之，在內存中 ECC能夠容許錯誤，並可以將錯誤更正，使系統得以持續正常的操作，不致因錯誤而中斷，且ECC具有自動更正的能力，可以將Parity無法檢查出來的錯誤位查出並將錯誤修正。

示例

ECC（Error Checking and Correcting，錯誤檢查和糾正）內存，它同樣也是在 數據位上額外的位存儲一個用 數據加密的代碼。當數據被寫入內存，相應的ECC代碼與此同時也被保存下來。當重新讀回剛才存儲的數據時，保存下來的 ECC代碼就會和讀數據時產生的ECC代碼做比較。如果兩個代碼不相同，他們則會被解碼，以確定數據中的哪一位是不正確的。然后這一錯誤位會被拋棄， 內存控制器則會釋放出正確的數據。被糾正的數據很少會被放回內存。假如相同的錯誤數據再次被讀出，則糾正過程再次被執行。重寫數據會增加處理過程的開銷，這樣則會導致系統性能的明顯降低。如果是隨機事件而非內存的缺點產生的錯誤，則這一 內存地址的錯誤數據會被再次寫入的其他數據所取代。