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NandFlash特性详解

NAND闪存属于非易失性存储（断电后数据不丢失），其核心结构基于浮栅晶体管，通过控制栅极电压改变浮栅中的电子数量来存储数据。这种结构决定了它既有远超传统硬盘的优势，也存在独特的“痛点”，这些特性直接主导了后续Linux存储技术的设计方向。

Nand存储结构

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以NAND Flash MT29F4G08为例，其存储结构如下：

  • 块（Block）：NAND Flash由多个块组成，每个块是擦除的最小单位。通常，一个块包含多个页。
  • 页（Page）：页是数据读写的最小单位。每个页由两部分组成：
    • 数据存储区（Data Area）：用于存储有效数据的区域。对于MT29F4G08，数据存储区的大小为2KB。
    • 备用区域（Spare Area）：用于存储额外的信息，如ECC（纠错码）校验值、坏块管理信息等。备用区域的大小为64字节，用于实现坏块管理和磨损均衡等功能。

Nand寻址

Nand寻址基础

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NAND Flash 的寻址方式：

  1. 列地址（Column Address）：

    • 列地址用于在一个页（Page）内部寻址，它决定了所选取的数据位于所选页内的哪一列。
      对于 MT29F4G08，列地址需要 12 根地址线（CA0~CA11），因为每个页的数据长度为 2112 字节。

  2. 页地址（Page Address）：

    • 页地址用于在一个块（Block）内部寻址，它决定了所选取的数据位于所选块内的哪一页。
      对于 MT29F4G08，页地址需要 6 根地址线（PA0~PA5），因为每个块包含 64 个页。

  3. 块地址（Block Address）：

    • 块地址用于进行块级寻址，它决定了所选取的数据位于哪一个块内。
      对于 MT29F4G08，块地址需要 12 根地址线（BA6~BA17），因为总共有 4096 个块。

nand只能按页读写，那为什么MT29F4G08有列地址，可以按字节读写？
MT29F4G08 本质上依然遵循 NAND Flash “按页读写” 的核心规则，其列地址并非用来打破该规则，而是实现页内字节级精准寻址，再配合芯片内部的数据寄存器与缓存寄存器，最终模拟出按字节读写的效果，并非真正意义上绕开页操作的独立字节读写。
执行读写操作时，并非直接对存储阵列中的字节进行操作。比如读取字节时，芯片会先把目标页的完整数据读取到缓存寄存器和数据寄存器中，接着依据列地址从寄存器里提取指定字节并输出；写入字节时，先通过列地址确定寄存器中的目标位置，将字节数据写入寄存器，后续再通过页编程操作，把寄存器中的数据整体写入对应的页存储单元

Nand控制命令举例

READ PAGE

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PROGRAM PAGE

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坏块管理与ECC校验

坏块管理和磨损均衡是在 NAND Flash 存储器中常见的管理策略，用于延长存储器的寿命和提高可靠性。

坏块管理

坏块管理包括三部分：识别标记坏块，转换表，保留区

识别标记坏块

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坏块识别和标记：坏块识别是指在初始化或运行时检测 NAND FLASH 中的坏块，并将其标记为不可用。常见的识别方法包括：

  • 读取厂家预留的坏块标记：在每个块的第一个和第二个页的备用区域的第一个字节中，厂家会写入非 0xFF 的特殊值来标记坏块。
  • 写入-读取测试：向每个块写入数据（例如 0xFF 或 0x00），然后再读取出来，并检查数据是否完全一致。不一致的块即为坏块。
  • ECC 检验：在读取数据时，通过 ECC 校验来检测块中是否存在错误。如果 ECC 错误超过阈值，则将该块标记为坏块。
转换表

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转换表是确保文件系统正常运行的关键之一，它需要在系统启动时进行初始化，并在运行过程中动态地维护和更新，以适应 NAND FLASH 存储器的使用和变化情况。

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文件系统与LUT交互

无“现成LUT”可供文件系统直接读取，LUT是文件系统（如YAFFS2、JFFS2）或NAND驱动 主动构建的。下面结合MT29F4G08的硬件特性（2048字节数据区+64字节备用区、按页操作、坏块限制），详细拆解文件系统的“LUT获取-使用”全流程：

  1. 文件系统初始化时，扫描NAND构建初始LUT
    当系统上电、文件系统首次挂载（如mount命令）时，文件系统会触发“NAND扫描流程”，核心目的是收集所有物理块/页的状态，构建初始LUT：
    • 底层驱动操作（对接MT29F4G08）：
      文件系统调用NAND驱动，遍历MT29F4G08的所有物理块（MT29F4G08共1024个块，每个块64页），对每个块执行：
      ① 读取块内任意一页的备用区（64字节），检查“坏块标识位”（通常是备用区第1个字节，0xFF为好块，0x00为坏块）；
      ② 若为好块，继续读取该块内各页备用区的“逻辑地址标记”（文件系统预先定义的格式，比如用4字节存储该物理页对应的逻辑页号）。
    • 文件系统构建LUT：

文件系统根据扫描结果，在内存中创建一张表格（LUT），核心条目格式如下：

逻辑页号（文件系统视角）物理地址（MT29F4G08视角）块/页状态
L0块0 + 页10正常
L1块1 + 页3正常
……坏块（跳过）

这一步就是“文件系统获取LUT”的过程——本质是自己扫描、构建，而非从芯片中“读取现成的”。

  1. 运行时将LUT缓存到内存，提升访问效率

初始LUT构建完成后，文件系统会将其完整加载到内存（RAM）中，原因是：

  • MT29F4G08的备用区读取是“按页操作”（需先选中块→选中页→读取备用区），速度慢（毫秒级）；
  • 内存访问速度是纳秒级，文件系统读写数据时，可直接查询内存中的LUT，快速完成“逻辑地址→物理地址”转换。

此时内存中的LUT是“工作副本”，备用区中的是“持久化副本”，后续对LUT的修改先在内存中完成。

  1. LUT更新后同步到备用区，保障断电不丢失

当文件系统执行写/擦除操作导致LUT变化时（比如坏块替换、数据重映射），会及时将更新后的LUT条目同步到MT29F4G08的备用区，避免断电丢失：

  • 示例场景：文件系统要写逻辑页L2，发现对应的物理页（块2+页5）是坏块，需替换到块3+页8；
  • 操作流程：
    ① 内存中LUT新增条目：L2 → 块3+页8；
    ② 文件系统调用驱动，将“L2”这个逻辑地址标记写入块3+页8的备用区（比如写入备用区第2-5字节）；
    ③ 同时在原坏块（块2）的备用区更新“坏块标识”，避免后续再次使用。

MT29F4G08的64字节备用区完全足够存储这些信息（ECC校验值占16-24字节，剩余空间可存逻辑地址、坏块标识等）。

保留区

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ECC校验

ECC校验（Error Correction Code）是一种用于检测和纠正数据传输中错误的算法。在 NAND FLASH 存储器中，由于存储单元的串行组织结构以及信号衰减等因素，读取数据时可能会出现错误。ECC算法能够检测出这些错误，并尝试修正错误的数据位，提高数据的可靠性。

在 NAND FLASH 存储器中，常用的 ECC 算法有汉明码（Hamming Code）、RS码（Reed Solomon Code）和BCH码（Bose-Chaudhuri-Hocquenghem Code）。在 STM32 的 FMC 模块中，硬件支持 ECC 计算，使用的是汉明码算法。汉明码虽然无法对错误进行修正，但可以检测出错误的位置，从而提高数据的可靠性。

对于 ECC 算法的应用，需要按照一定的规则生成 ECC 校验数据，并将其与原始数据一起存储。在读取数据时，将读取到的数据与相应的 ECC 校验数据进行比较，以检测出错误并尝试修正错误的数据位。

以 STM32 的 FMC 模块为例，它支持按照不同的页大小（如256、512、1024、2048、4096和8192字节）进行 ECC 计算。对于512字节为单位的数据，通常只需要24bit的 ECC 校验数据来表示，这样就可以检测出并纠正数据传输中的错误。

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参考：【正点原子STM32】FSMC_FMC——NAND FLASH实验（存储原理、存储结构、坏块管理和磨损均衡、控制命令、FMC-NAND FLASH接口、NAND FLASH驱动步骤）

posted on 2025-12-02 16:29  duduru  阅读(0)  评论(0)    收藏  举报  来源

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