MCU-NandFlash存储管理技术：磨损均衡、坏块管理和位翻转

一、简介

存储介质按物理材料的不同可分为三大类：光学存储介质、半导体存储介质和磁性存储介质。Nandflash属于非易失型的存储介质，常作为外存使用。而在实际MCU使用中因为nandflash的物理特性导致的安全问题，轻则数据错误、文件乱码，重则系统死机。这里对nandflash的软件存储管理技术进行总结，并给出了嵌入式端管理的方案，经验不足之处请多多指教。EMMC目前使用也十分广泛，推荐直接使用EMMC进行存储。

二、NandFlash的结构与特性

下图是一个常见Nand（MT29F4G08）的芯片数据手册上的结构：

比较通用的结构如下：Nand⇒ Chip/Die ⇒ Plane ⇒ Block ⇒ Page + oob，其中obb（Out Of Band）也叫做空闲区域（spare area）/冗余区域（redundant area），这样设计是为了保证数据的正确性，可以在obb区存储校验数据、标记坏块、映射信息等，这个后面会讲通常怎么使用这个obb。

每个Nand包含一个或多个Chip。Chip是可以独立执行命令并上报状态的最小单元。

每个Chip包含一个或多个plane。不同的plane间可以并发操作，不过有一些限制。

每个plane包含多block，block是最小擦除单元（擦除后为全1，擦除失败则判定为坏块）。

每个block包含多个page+obb， page是最小的读写单元。

Nand有如下特性：

Nand在写入前需要先擦除，那么写入就必须要进行块操作，如果是更改数据那么需要先读取block再擦除后写入。

block的擦写次数是有限的，最大擦写次数称为PECycles，坏不能

由于物理特性的原因，在读写时会对其他的页产生影响、漂移效应也会产生影响，会导致的出现位反转（bit flip）的现象（原先Nand中的某个位，从1变成0或者从0变成1）（这里写的物理的原因，也可能是软件上的原因，处理方法是一样的）

Nand会有如下问题：

既然flash的每个单元的擦写次数是有限的，那么如果我们总是频繁的擦写flash上的某些块，而另外一些块很少被擦写，那么这些擦写频繁的块就会很快达到使用寿命成为坏块，这样的坏块多了，如果设计上没有考虑好这个问题，就会影响整个设备的使用寿命。（磨损均衡）

既然会发生位翻转，怎么发现存储的数据变了，怎么进行修复。（校验算法）

怎么判定一个快为坏块

检测到坏块后，如何避免使用坏块？

三、Nand基础操作

读页数据Read Page，写页数据（对页进行编程）Page Program，擦除整个块的数据Erase Block等操作，只需注意物理地址和操作数怎么传入的即可：物理地址 =块大小×块号＋页大小×页号＋页内地址/列地址，不同的Nand有不同的传输方式，分为多个Cycle进行传输。

很多资料将Nand操作分为读、写、擦除，结合实际情况应该有改的操作，这个操作对整体流程有一定的反映。

Nand的改写数据的流程（没优化流程）：

读取block中的数据，将其转存到内存或者其他存储块中

校验读取的数据（如果与obb区不一致，看能不能修复，不能修复则判定为坏块）

擦除block（擦除失败则判定为坏块）

计算更改后数据的校验值

寻找一个新的block

写入新数据和校验值

四、ECC校验/位翻转修复

NAND闪存的ECC（Error Correction Code）校验方法用于检测和纠正存储在NAND闪存中的数据中的错误，有的MCU会提供硬件ECC，看使用场景用，下面列举常见的软件：

1. Hamming码是一种最简单的ECC方法，用于检测和纠正单个比特错误。每个数据字都伴随着几个校验比特，用于检测和纠正错误。如果出现单个比特错误，系统可以根据校验比特的值进行修复。

2. Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH)码是一种更强大的ECC方法，可以检测和纠正多个比特错误。BCH码的强大之处在于它可以针对不同的应用需求进行配置，以提供更高级别的纠正。

3.Reed-Solomon (RS)码是一种常用于光盘和QR码等应用中的ECC方法。RS码对于检测和纠正错误非常有用，特别是在存在大量噪声的环境中。

4. 低密度奇偶校验码（Low-Density Parity-Check）是一种现代的ECC方法，适用于NAND闪存等高密度存储介质。它在纠正性能方面非常强大，可以适应各种错误模式。

MCU中轻量化的ECC一般用Hamming码，原理可以移步到：https://www.cnblogs.com/scrutable/p/6052127.html

写时：将Page的数据输入，计算后的结果存入OBB区

读时：将Page的数据输入，与OBB区进行比较，能修复则修复，不能修复则标记为坏块。

五、坏块管理

1、背景

总结一下前面所说的，坏块出现的四种情况：

出厂时的坏块

操作过程中由擦除失败造成的

擦除过程中写入操作失败引起的

出现超出ECC校验算法纠正能力的错误时，也认为出现了坏块

坏块管理的基本作用：

标记nand中的所有坏块并建立坏块表，避免对坏块进行操作，在对nandflash进行操作时如遇到坏块则将其标记，跳过并找一好块替代该坏块，同时更新逻辑地址与物理地址的映射关系和坏块表，使得nandflash对上层文件系统仍是连续的。

目前，NAND坏块管理方法可分为如下几类：

基于FTL芯片的坏块管理

它使用一个额外的 FTL (Flash Translation Layer)芯片对 NAND 进行管理，对外部屏蔽了坏块信息，U 盘、SD 卡、MMC 卡以及固态硬盘都使用这种管理方法。这种方式简化了 NAND 操作，但也使坏块信息对外部而言不可见，如果系统中出现了可能和坏块相关的问题，定位和调试变得困难，另外，FTL 芯片也需要额外的硬件成本。

基于NAND文件系统的坏块管理

JFFS2、 YAFFS2、 FlashFx 这些专门针对 NAND 的文件系统可以对坏块进行管理。

NAND管理中间件

有一些中间件(Middleware)专门用于 NAND 管理，比如 UBI。

轻量级NAND坏块管理

轻量级的坏块管理只专注于坏块，并不提供擦写负载平均的支持，而且，它也不依赖于任何第三方的库。因此，轻量级的坏块管理方式降低了系统的复杂度，而且免去了加载文件系统或初始化中间件的时间，在嵌入式系统中有着广泛的应用。

下图为通过文件系统读写Nandflash的结构：

这里对于轻量级NAND坏块管理进行分析，也就是通过软件FTL进行Nand的存储管理。

2、管理技术

坏块管理技术通过映射表、坏块表、查找表（LUT）实现（也有简单的办法，但是不稳定），从管理的角度讲存储空间划分为三种：

数据区：用于数据存储

备用区：
改写数据时，不用擦除原来的块，进行重新映射（这样的好处是防止掉电，附带平衡磨损）

替换使用过过程中的坏块

坏块区：用于存放初次上电扫描发现的坏块及使用过程中出现的坏块。

3、实现方法

映射表可以是block-to-block的映射，也可以是page-to-page的映射，page-to-page虽然管理方面但是FTL中维护大量的映射关系。

映射表的基本单位base：

物理块地址要占9个bit

标识好坏块

块中page已使用情况

块是否已映射等

一个映射表由N个base组成，另外包函了指向数据区、备用区、坏块区的指针，映射表的信息。

nand初始化

扫描nand的映射表与坏块表
会存放到一个固定的好block中，比如物理顺序上的第一个好block（以下三种方法均可）：通过扫描所有page的obb区的标志位预留第一个好的page进行记录；预留一个page的obb区进行记录，如：MT29F4G08的obb位数等于一个block的page个数。

没有找到，则扫描所有的block重新建立坏块表和映射表，因为在page的obb区存储校验数据、标记坏块、映射信息，也方便反向建立映射表

第一次建立存储管理用如下流程：
调用坏块表，计算该Zone坏块数量

初始化映射表

根据obb每个块的好块、空闲等状态，根据坏块状态情况，将坏块扔到坏块区，并在obb区写入映射情况

将最后几二个映射的空块作为交换块，并在obb区写入映射情况

更新逻辑物理映射表，写入某个block

将映射表与坏块表放入RAM

当系统要对一个已用块进行该写操作时，根据该块物理地址选择一个交换块（可以介入磨损均衡），将该已用块的数据发送到交换块上，最后擦除该已用块，将其作为新的块。最后当写完一个块时，更新RAM中的映射表，达到动态的映射地址的更新，在更新nandflash的映射表时，也是通过交换块，先将旧的映射表存进交换块后，再将更新后的映射表写进nandflash，最后擦除旧的映射表，达到防止掉电映射表被破坏后丢失的情况。