NANDFlash文件系统方案及其可靠性设计

随着嵌入式系统在消费电子，数据采集和工业控制等领域得到越来越广泛的应用。

各个领域都对嵌入式系统提出了更高的要求。

作为嵌入式系统中最重要的组成部分，存储系统呈现出了较快的发展速度。

ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ作为一种安全、快速的存储体，具有体积小、容量大、成本低、以及更多的擦除次数等一系列优点，已成为嵌入式系统中数据和程序最主要的载体。

由于ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ在结构和操作方式上与硬盘、Ｅ２ＲＯＭ等其他存储介质有较大区别，使用ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ时必须根据其自身特性，对文件系统进行特殊设计，以保证系统的性能达到最优。

同时由于工艺和使用环境的问题，ＮＡＮＤＦｌａｓｈ存储器中不可避免的会出现坏块，因此必须提出有效的坏块处理方法，以解决坏块问题，实现存储系统的高可靠性。

１ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ特点
１．１区块结构
ＮＡＮＤＦｌａｓｈ存储器内部分为若干个存储单元块（ｂｌｏｃｋ），每个存储单元块又分为若干个页（ｐａｇｅ），存储单元块是最小的擦除单
位，页是写入数据的最小单位。

１．２先擦后写
由于ＦＬＡＳＨ的写操作只能将数据位从１写成０，不能从０写成１，所以在对存储器进行写入之前必须先执行擦操作，将预写入
的数据位初始化为１。

擦操作的最小单位是一个区块，而不是单个字节。

１．３操作指令
ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ的操作不能像ＲＡＭ那样，直接对目标地址进行总线操作。

比如执行一次写操作，它必须完成一段时序才能将数据写入到ＦＬＡＳＨ中。

１．４坏块
ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ的坏块是随机分布的，可能在出厂时就存在坏块，也可能在使用过程中，导致某些区块的损坏。

区块一旦损坏，将无法进行修复。

如果对已损坏的区块进行操作，可能会带来不可预测的错误。

２ＮＡＮＤＦｌａｓｈ文件系统的设计
将整个文件系统分为两个层次，第一层，直接和物理硬件接
触，管理Ｆｌａｓｈ物理存储器，第二层，在基层之上，实现文件管理，如实现ＦＡＴ。

２．１第一层
２．１．１物理地址到逻辑地址的映射
为了在ＮＡＮＤＦｌａｓｈ物理地址和ＦＡＴ操作的逻辑地址之间建立一个好的映射关系，须对ＮＡＮＤＦｌａｓｈ的存储空间在逻辑上进行了重新定义。

物理上整个Ｆｌａｓｈ划分为若干存储单元块，每个存储单元块内部分成若干物理页，每个物理页又可以分为基本的数据区和其它信息保留区（如安全性）。

逻辑上将整个存储器划分为若干簇，以簇作为最小存储单位。

确定好簇和物理页及物理区块的对应关系后，物理地址到逻辑地址的映射也就确定了。

２．１．２可靠性设计
一个完善的文件系统需要有良好的可靠性。

笼统的讲，可靠性的实现，需要存储器信息的支持。

２．１．３均衡擦写次数
由于ＮＡＮＤＦｌａｓｈ有一定的使用寿命，所以要尽量避免频繁地对同一块地址操作，以免造成局部单元提前损坏，可以设计算法，将ＮＡＮＤＦｌａｓｈ中要更新的数据直接写入一个空块中，降低由于ＮＡＮＤＦｌａｓｈ先擦除后写入的特性带来的对块的频繁擦除。

２．２ＦＡＴ设计
在ＮＡＮＤＦｌａｓｈ上，建立了ＦＡＴ文件系统来对文件操作进行管理。

将ＦＡＴ文件系统具体分为以下四部分：
２．２．１ＦＡＴ的引导区
该引导区存放代码所需的信息及最重要的文件系统信息。

这些信息包括了ＮＡＮＤＦｌａｓｈ存储器的类型、容量以及划分成多少
个簇；每个簇包含多少扇区、ＦＡＴ表数目、
保留扇区数、根目录的首簇号及根目录入口数、版本信息等等。

引导扇区是在格式化ＮＡＮＤＦｌａｓｈ时生成的。

２．２．２ＦＡＴ的文件分配表
文件分配表存放文件所占用的存储空间簇链以及ＮＡＮＤＦｌａｓｈ存储器的占用和空闲空间的情况。

为了防止文件分配表损坏而引起文件的丢失，可以在系统中保存两个相同的文件分配表
（下转第１３２４页）
收稿日期：２００７－０９－１０
作者简介：程道远（１９８１－），男，江苏省南京市人，硕士，研究方向为嵌入式系统设计。

ＮＡＮＤＦｌａｓｈ文件系统方案及其可靠性设计
程道远
（东南大学国家ＡＳＩＣ系统工程技术研究中心，江苏南京２１００９６）
摘要：ＮＡＮＤＦｌａｓｈ具有高存储密度和高存储速率的特点，在嵌入式系统领域得到了广泛应用，如何使其文件系统的性能最优化成为本文讨论的主题。

本文首先提出文件系统的设计方法，主要阐述面向嵌入式应用的ＦＡＴ文件系统；接着，针对ＮＡＮＤＦｌａｓｈ存在固有的坏块这一弱点，为了提高整个系统的可靠性，提出一种利用嵌入式文件系统进行坏块处理的策略，核心思想为利用Ｆｌａｓｈ存储器上未使用空间来代替坏块，同时，在ＦＡＴ表中标记出损坏的坏的信息，避免以后对坏块进行读写。

本策略经项目的具体应用证明，具有较高可靠性。

关键词：ＮＡＮＤ；Ｆｌａｓｈ文件系统；坏块处理中图分类号：ＴＰ３４３文献标识码：Ａ文章编号：１００９－３０４４（２００７）１７－３１３２０－０１
ＡＤｅｓｉｇｎｏｆＦｉｌｅＳｙｓｔｅｍａｎｄＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｂｏｕｔＮＡＮＤＦｌａｓｈ
ＣＨＥＮＧＤａｏ－ｙｕａｎ
（ＳｏｕｔｈｅａｓｔｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙＡＳＩＣＣｅｎｔｅｒ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎａｎｄｆｌａｓｈｂｅｃｏｍｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍｂｅｃａｕｓｅｏｆｈｉｇｈｍｅｍｏｒｙｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｈｉｇｈｍｅｍｏｒｙｓｐｅｅｄ．Ｓｏｈｏｗｔｏｉｍ－ｐｒｏｖｅｑｕａｌｉｔｙｏｆＮａｎｄＦｌａｓｈｆｉｌｅｓｙｓｔｅｍｉｓａｍａｉｎｓｕｂｊｅｃｔｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｆｉｒｓｔｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｆｉｌｅｓｙｓｔｅｍ，ｍａｉｎａｂｏｕｔＦＡＴｆｉｌｅｓｙｓｔｅｍｉｎｅｍｂｅｄｓｙｓｔｅｍ．Ａｎｄｔｈｅｎａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｏｆｄｅａｌｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｂａｄｂｌｏｃｋｉｓａｌｓｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｏｇｅｔｏｖｅｒｔｈｅｈｉｎ－ｄｒａｎｃｅ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｔｈａｔｒｅｐｌａｃｅｓｔｈｅｂａｄｂｌｏｃｋｗｉｔｈｆｒｅｅｓｐａｃｅｏｎｔｈｅｆｌａｓｈ．Ｂａｄｂｌｏｃｋｓｍａｒｋｅｄｉｎｔｈｅｆｉｌｅａｌｌｏｃａｔｉｏｎｔａｂｌｅａｒｅｎｅｖｅｒｕｓｅｄａ－ｇａｉｎ．Ｉｔｈａｓｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｉｎａｐｒｏｊｅｃｔｗｉｔｈｈｉｇｈｓｔａｂｉｌｉｔｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＮＡＮＤ；ＦｌａｓｈＦｉｌｅＳｙｓｔｅｍ；ＢａｄＢｌｏｃｋＭａｎａｇｅｍｅｎｔ
（上接第１３２０页）
ＦＡＴ１和ＦＡＴ２，以改善其安全性。

在文件系统的操作中，程序对ＦＡＴ表结构的两个备份进行顺次修改，以此确保Ｆｌａｓｈ存储器上总是存有一整套完好的文件分配表。

系统对ＦＡＴ表的访问原理如
下：访问文件时先从要目录中找到该文件的目录项，从中读出首簇号。

然后在ＦＡＴ中找到从该首簇号开始的簇链，簇链上的簇号即为文件依次存放的位置，这样便可以进行数据读写了。

２．２．３ＦＡＴ的根目录区
ＦＡＴ的根目录区是固定大小的紧跟在ＦＡＴ表后的区域。

ＦＡＴ１６中将从ＦＡＴ区之后紧跟的３２个扇区作为根目录区，可以保存５１２个目录项。

每个目录项记录了该文件的文件名、文件属性、文件大小、文件创建的日期和时间以及文件在数据区中所占的首簇号，即该文件在ＦＡＴ表中的入口等数据。

２．２．４ＦＡＴ的数据区
数据区存在文件的数据内容。

文件系统对数据区的存储空间是按簇进行划分和管理的。

３ＮＡＮＤＦｌａｓｈ可靠性设计
由于工艺和使用环境的问题，ＮＡＮＤＦｌａｓｈ存储器中不可避免的会出现坏块，这一弱点长期影响存储的可靠性，带来不可预测的后果，因此如果能解决坏块问题，将大大提升ＮＡＮＤＦｌａｓｈ的可靠性。

本文提出一种在文件系统底层解决坏块问题的方法，即利用Ｆｌａｓｈ存储器上未使用的空间来代替坏块，同时在ＦＡＴ表中标记出损坏的坏块信息，避免以后对坏块进行读写。

具体方案如下。

３．１坏块发现
ＮＡＮＤＦｌａｓｈ对存储器的写入采用先擦后写的流程，擦除的最小单位为１个ｂｌｏｃｋ，写入的最小单位为一个ｐａｇｅ。

在写入数据时，先在内存中申请１个ｂｌｏｃｋ大小的缓冲区，然后在存储空间找到要写入数据的ｐａｇｅ所在的ｂｌｏｃｋ，将该ｂｌｏｃｋ全部读入缓冲区，在缓冲区中将数据写入相应的ｐａｇｅ，写完后，将该ｂｌｏｃｋ写入Ｆｌａｓｈ，若在写入Ｆｌａｓｈ时多次报错则判定该ｂｌｏｃｋ为坏块
３．２坏块处理
３．２．１在内存里建立文件系统的反向簇链，方便进行坏块的替换。

３．２．２备份坏块对应簇的ＦＡＴ表项，在ＦＡＴ表中标记出该坏块的信息。

３．２．３寻找替换空间
以１个ｂｌｏｃｋ包含３２个ｐａｇｅ，１个簇包含１６个ｐａｇｅ，即１个ｂｌｏｃｋ包含２个簇为例进行说明，坏块Ｎ包含ｘ，ｘ＋１簇，首先从Ｆｌａｓｈ的末尾处开始寻找空闲块，找到即进行整块的替换，见图１。

图１替代块
若一直寻找到数据区的开头都没有空闲块，则重新寻找空闲
簇，以簇为单位进行替换，如图２，假设Ｙ，Ｚ分别为Ｘ，Ｘ＋１的替换簇，由于簇在物理空间上并不一定连续，因此在进行簇的替换时可能会出现３种情况：
情况１：替换簇不在坏块中，即Ｙ，Ｚ不在坏块Ｎ中
处理方法：直接进行簇的替换，将备份的索引号，直接赋值给替换簇的ＦＡＴ表项，同时更新反向簇链。

情况２：替换簇在坏块中，即Ｙ或者Ｚ也在坏块Ｎ中，这时要再分两种情况
情况２．１替换簇在被替换簇之前
处理方法：因为替换簇自己在之前已经被替换，所以要备份之前更新ＦＡＴ表时替换的新簇簇号，根据两坏簇间距离，到替换簇号备份中查找其应对应的簇号，来更新当前簇的链接，同时更新反向ＦＡＴ表。

情况２．２替换簇在被替换簇之后
处理方法：因为替换簇是坏簇，其替换的位置未知，所以只更新反向ＦＡＴ表，其本身的ＦＡＴ表项到更新替换簇的前续节点时再做更新。

最后查询反向ＦＡＴ表，将替换的各个新簇接回其前续节点。

图２替代簇
如果ＦＡＴ表中已经没有空闲簇则报错，该方案完成。

使用一块３２Ｍ的ＮＡＮＤＦｌａｓｈ，将测试代码先写入一块数据，然后读出数据进行校验的方法对上述方案进行论证，通过两个星期反复的读写，结论为：在没有采用坏块处理程序之前，由于坏块的存在，导致写入的数据在大约１２Ｍ之后全部丢失，采用坏块处理程序之后，运行的两周内没有任何校验错误。

由此可见其可靠性得到很大提升。

４结语
通过上述对ＮＡＮＤＦｌａｓｈ文件系统的设计，使得ＮＡＮＤＦｌａｓｈ的性能大大优化，能够满足各个领域对嵌入式存储器越来越高的要求，同时在面对ＮＡＮＤＦｌａｓｈ所固有的坏块问题上，通过上述坏块处理的算法，很好的解决了在ＮＡＮＤＦｌａｓｈ存储介质上运用ＦＡＴ文件系统的坏块问题，增加了整个嵌入式系统的存储可靠性。

参考文献：
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［２］ＭｉｋｅＦｉｃｃｏ．如何在嵌入式电子设备中建立多媒体文件系统［Ｊ］．电子工程专辑，２００４（２）：２０－２２．
［３］陈代军．解析ＦＡＴ文件系统对长文件名的支持［Ｊ］．成都信息工程学院学报，
２００４，（１８）：３８０－
３８５．
件是否满足了需求规格说明中确定了的各种需求，以及软件配置是否完全、正确。

最后是系统测试，把已经经过确认的软件纳入实际运行环境中，与其他系统成分组合在一起进行测试。

６结束语
软件测试是保证软件可靠性的主要手段，是软件开发过程中最艰巨、最繁重的任务。

软件开发人员要明确软件测试的目标，掌握软件测试的方法、策略，选用最少量的高效测试数据，做到尽可
能完善的测试，从而尽可能多地发现软件中的问题。

降低软件测试的成本，提高软件测试效率。

开发出用户满意的高质量的软件。

参考文献：
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