開發日記...

Nand flash 基本介紹

這篇很實用，轉自SOFTPAPA's BLOG

本文所有的內容請參考Figure 1和Figure 2，分別為small和large page 兩種型式的基本結構

文章內容基於2011 年的資訊，現在nand flash 單顆愈做愈大，也應該有新的技術出來，以後有機會再加吧

Page

為nand flash chip 讀取的最小單位，依顆粒製程不同有512, 2048, 4096, 8192 (bytes)，目前最常見的為2048 (bytes)

Spare

以2k page 為例，每一個page在實體的結構中除了2k bytes的使用空間，還會有64 bytes額外的容量，供hw/sw儲存一些額外的資訊，通常會用來儲存ecc的data，來效正nand flash使用久後會有bit不能使用的問題

OOB (out of boundary)

即指spare，sw比較常用這個名詞

Small/Large

page 容量512 bytes 的稱 small page，大於等2k bytes 都稱為large page

Block

為nand flash chip 寫入的最小單位, 每64 page 即為一個block，因為page size 會有不同，block size 也就不同，一顆chip裡有多少block，是依nand flash的大小而定，但通常是2的冪次方。

Read/Write operation

nand flash 讀寫方式異於一般的磁性儲性裝置。因為結構上的問題，如果要針對特定的page 寫入，只能把資料寫由1 -> 0，如果要0->1，那只能針對整個block (64 pages)做動作，此動作稱為”erase“，而寫入page的動作稱為”program“，一般nand chip的資料都會標明erase/program的時間，以Micro MT29F2G08AABWP為例，erase/program的時間分別為(2ms/300us)

• write 
  標準寫入動作可分為下列幾步

  1. 將block 讀進ram
  2. 改變ram裡的資料
  3. erase block
  4. 依ram 裡block 的資料，program 64 個page

• read 則以page 為單位，無特殊的限制。

Life cycle

nand flash 相較傳統磁性的儲存裝置有較低的資料可靠度和使用限製，主要為二個方面

• endurance
  erase block/program page 這個二動作是破壞性的，每個block erase的次數是有限制的，通常為1k~100k次

• retention
  這是指當資料儲放在nand中，可以保証有效多久，一般是10年。所以nand flash device 不適合當長時間的資料保存裝置

Bad blcok

指在chip中資料讀取出來有可能會發生錯誤的block，依形成的原因可以分為下列二種

• factory-bad
  即出廠時即有問題的block，每個nand chip 都會標明這個型別的顆粒至少有多少block是可以用的，而且保証第一個block一定是好的，且第一個block在某個erase/program次數不會出問題(這是為了nand boot)。nand flash 出廠時會erase 所有的block，如經檢測為bad block，則會j把那個block的第一個page的oob的第一(Micro)或第六個byte(Samung, Toshiba and 其他)標示為0xFF以外的值，每顆nand flash 在使用之前應該要先把這個值備份出來，作為以後建立bad block table時使用

• worn-out
  即不斷使用後所產生的bad block

ECC

ECC即error correct code，因為無法預測什麼時候會發生bad block，sw上會對每個page做ecc的效正機制以防止資料錯誤，這些效正的資料的會被存在同一個page的oob裡，一般用的演算法有下列三種，每種有不同的效正能力也需要不同的ecc效正資訊，可參考下圖。另外隨著page size愈來愈大，對ECC的能力要求來愈來愈高，依innodisk　資料，硬碟型的產品，單一page ECC能力要求到7x bits

• Hamming code
• reed-solomum
• binary BCH

Wear leveling

使得每個block可以寫入的次數可以大致相同延長nand使用的機制，通常由軟體或韌體負責，有分為Dynamic和static兩種方
式

• Dynamic
  在要寫入資料的時候，挑選比較少使用的block來寫入，原本的那個block就回收作為以後用，這方式的缺點為，假設磁碟中有2000個block，其中1500個儲放read only data，那可以用來置換block就只剩500個。

• Static
  收集的統計數據，在沒讀寫的時候偷偷的把資料交換到較少使用的block，此方式可以避免dynammic 的缺點，即使是read-only data 所佔據的block 也可以釋放出來使用
  由此可知nand flash based 的儲存裝置如果可用的空間等於實際的空最好不要裝滿資料，留些額外的空間做為替代用的block，可延長使用期限。但是現今實際上的產品，會限縮可使用空間。實際256GB 可用的只有240GB。

Chip ID Definition Table

每顆nand chip 容量的相關值，可以透過”read id“這個命令讀出來，舊的格式有5bytes(目前常見)，新的格式有8 bytes(目前找不到)，下圖為舊格式bit field的定義

BBT

即Bad Block Table，用來記錄整個nand flash 顆粒中，有那些block 是壞掉的。每個nand flash 在出廠後，會先被測試機台scan一次，把壞的block資訊寫在某個特定的地方。做板子的廠商需要先把他讀出來記起來，不然後重新erase就不見了