轻量级 NAND 坏块管理方法分析及改进（1）

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NAND 及其坏块NAND Flash 是一种高密度低成本的存储体，它在各种各样的嵌入式系统中获得了广泛的应用， USB 存储设备、SD 卡、手机、相机和固态硬盘等各种设备中使用的都是 NAND 芯片。其内部结构是按照块/页进行组织的，一个 NAND 芯片包含若干个块，而块内部又是由若干个页构成的。NAND 芯片出厂时就可能包含若干个坏块，在使用过程中也可能会产生新的坏块，当一个块被标记为坏块后，不应再对其写入数据，以免出现数据丢失。由于 NAND 擦写次数是有限的，而且会在使用过程中产生新的坏块，一般都需要额外的软件或硬件来配合它进行使用。
NAND 坏块管理方法分类目前，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 坏块管理对 NAND 进行管理的硬件或软件模块，不仅提供坏块管理，同时也支持对 NAND 的擦写操作进行负载平均。而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。
  

图 1 展示了几种典型的嵌入式系统中 NAND 内部的内容布局。如果需要频繁地对 NAND 写入各种数据，最好使用 NAND 文件系统或者 NAND 管理中间件对需要写入的区域进行管理。而那些很少需要更新的区域，比如 bootloader、VPD 和 Kernel，只需进行轻量级的坏块管理，不需要进行负载平均。很多的嵌入式系统中，需要写入 NAND 的数据量很少，频度也较低，比如路由器、打印机、PLC 等，这些系统完全可以仅使用轻量级的坏块管理方式。
图 1.典型嵌入式系统的 Nand Memory MapUboot 的轻量级坏块管理方法NAND 坏块管理都是基于坏块表(BBT)的，通过这张表来标识系统中的所有坏块。所以，不同的管理方法之间的差异可以通过以下几个问题来找到答案。

•         如何初始化和读取坏块表？
•         产生新的坏块时，如何标记并更新坏块表？
•         如何保存坏块表？是否有保存时断电保护机制?
•         对 NAND 写入数据时，如果当前块是坏块，如何找到可替换的好块？

Uboot 是目前使用最为广泛的 bootloader，它提供了两种轻量级坏块管理方法，可称之为基本型和改进型。通过下表，我们可以看到两者的差异。
表 1. Uboot 的两种坏块管理方法对比
基本型改进型                初始化、读取 BBT                        系统每次初始化时，扫描整个 NAND，读取所有块的出厂坏块标志，建立 BBT，占用较多启动时间。                        系统第一次初始化时，扫描整清单 1. BBM 头信个 NAND 建立 BBT。之后每次初始化时，扫描 BBT 所在区域，如果发现当前块的签名和坏块表的签名(一个特定的字符串)相符，就读取当前块的数据作为 BBT。                        更新 BBT                        擦写操作产生新的坏块时，更新内存中的 BBT，同时将坏块的出厂坏块标记从 0xFF 改为 0x00。
                擦写出错后仍然对坏块进行操作—更改出厂坏块标记，存在安全风险。而且，也无法区分哪些是出厂坏块，哪些是使用过程中产生的坏块。                        擦写操作产生新的坏块时，更新内存中的 BBT，同时将更新后的 BBT 立刻写入 NAND 或其他 NVRAM 中。                        保存 BBT                        不保存                        在 NAND 或其他 NVRAM 中保存一份，无掉电保护机制。                        坏块替换方法                        如果当前块是坏块，将数据写入下一个块。                        如果当前块是坏块，将数据写入下一个块。        
虽然 uboot 的改进型坏块管理方法的做了一些改进，但它仍然有三个主要的缺点。

•         出现坏块，则将数据顺序写入下一个好块。如果 NAND 中存放了多个软件模块，则每个模块都需要预留一个较大的空间作为备用的好块，这会浪费较多的 NAND 空间。通常，每个模块预留的备用好块数为 NAND 芯片所允许的最大坏块数，该值因不同的芯片而有所不同，典型值为 20 或 80。假设 NAND 是大页类型，总共有 N 个模块，则总共需要预留的空间大小为 N*80*128KB。
•         读取 BBT 时仅检查签名，没有对 BBT 的数据做校验。
•         没有掉电保护机制。如果在保存 BBT 时断电，BBT 将丢失。