一種提升Nor Flash擦寫熱點壽命的方法

北京智芯微電子科技有限公司 王 赟 成 嵩 杜鵬程 胡曉波 魏 斌 崔炳榮

目前市場上通用的Nor Flash存儲器，每個擦寫單元的循環(huán)擦除/編程壽命一般在10萬次左右，超過該壽命后Nor Flash將工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，甚至造成信息數(shù)據(jù)讀寫失效。本文詳細闡述了一種基于熱點區(qū)域地址映射的Nor Flash動態(tài)損耗均衡方法。該方法通過設(shè)計特定的Nor Flash硬件結(jié)構(gòu)，結(jié)合扇區(qū)內(nèi)地址映射的方式，可以有效提升flash熱點區(qū)域的擦寫壽命。

Intel于1988年首先開發(fā)出Nor Flash技術(shù)，徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統(tǒng)天下的局面。Nor Flash的傳輸效率很高，在小容量時具有很高的成本效益，更加安全可靠，不容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)故障，因此被廣泛應(yīng)用于安全芯片、智能卡芯片、esim等領(lǐng)域。

由于Flash在更新數(shù)據(jù)時，必須要先對其需要更新的區(qū)域進行擦除操作，而Flash的每一塊區(qū)域的擦除次數(shù)是有上限的。如果在使用過程中，對某塊區(qū)域的擦寫比其他區(qū)域頻繁的話，這塊區(qū)域就會提前壞掉，從而縮短了整片F(xiàn)lash的壽命。但是，如果講Flash的擦寫操作能夠均勻分布在不同的區(qū)域，使每個區(qū)域的擦寫次數(shù)相近，就可以大大延長Flash的使用壽命，這種技術(shù)被稱為Flash的損耗均衡。

當(dāng)前對于Flash的損耗均衡，大部分都是基于Nand Flash，對于Nor Flash研究相對較少。但是在安全芯片、智能卡領(lǐng)域，通常會集成一塊片上Nor Flash用于存放程序和數(shù)據(jù)，存儲的內(nèi)容也需要頻繁更新，此時對于Nor Flash的損耗均衡功能非常必要。

1 相關(guān)研究

為了有效的管理Flash存儲器，通常會在文件系統(tǒng)層和Flash之間實現(xiàn)Flash轉(zhuǎn)換層（Flash Translation Layer（FTL）），F(xiàn)TL通常實現(xiàn)三部分功能，即損耗均衡、地址映射、以及垃圾回收。

常見的損耗均衡算法分為動態(tài)損耗均衡和靜態(tài)損耗均衡兩大類。Flash中有一些數(shù)據(jù)會被頻繁地更新，被稱為熱數(shù)據(jù)或熱點。靜態(tài)損耗均衡是指通過將存儲熱點數(shù)據(jù)的存儲區(qū)與其他非熱點存儲數(shù)據(jù)進行搬移互換，達到損耗均衡的目的。目前有許多靜態(tài)均衡損耗算法的研究，比如隨機游走算法、循環(huán)位圖算法等。但是，數(shù)據(jù)搬移和交換會造成性能和資源上的額外開銷。動態(tài)損耗均衡是指，再每次更新數(shù)據(jù)時，選取擦寫次數(shù)最少的空閑存儲區(qū)域，這樣就避免了冷熱數(shù)據(jù)的搬移和交換，時間和資源開銷相對較小。

地址映射主要通過維護地址映射表來實現(xiàn)軟件層的虛擬地址到Flash物理地址之間的轉(zhuǎn)換。

垃圾回收是指，對于存放無效數(shù)據(jù)的空間，需要將其擦除，使之稱為可用的空間。對于該功能，也需要設(shè)計相應(yīng)的回收策略，如貪心算法、差分進化算法等。

本文提出了一種基于熱點區(qū)域地址映射的Nor Flash動態(tài)損耗均衡算法，在該算法中，將整個Flash區(qū)域劃分成若干個損耗均衡的基本單元，在每個基本單元里，通過動態(tài)損耗均衡的方式，每次數(shù)據(jù)更新都從基本單元中選取擦寫次數(shù)最少的存儲區(qū)域?qū)懭胄碌臄?shù)據(jù)，從而是熱點數(shù)據(jù)更新次數(shù)均勻地分布在不同的存儲區(qū)域，達到提高Flash壽命的目的。

2 損耗均衡算法實現(xiàn)

常見的Flash均衡方案中，通常將整個存儲區(qū)域進行均衡，從整個存儲空間中劃分出部分存儲單元作為存儲管理單元，用于記錄物理存儲單元與邏輯存儲單元的映射關(guān)系。并且同時劃分出一塊區(qū)域做為統(tǒng)計區(qū)，用于記錄數(shù)據(jù)存儲單元擦寫次數(shù)。這樣不但占用用戶可用的正常存儲區(qū)域，而且，統(tǒng)計區(qū)和存儲管理區(qū)的擦寫會比較頻繁，成為flash壽命的瓶頸。

本方法通過軟硬件結(jié)合的方式，將一個扇區(qū)（sector）做為基本的擦寫均衡映射單元，在一個sector內(nèi)部的所有數(shù)據(jù)頁在擦寫和修改時會輪流存儲數(shù)據(jù)，而不再對固定存儲單元存儲內(nèi)容，并通過硬件額外的存儲器設(shè)計進行映射關(guān)系和其他信息的記錄的維護。

圖1 Flash結(jié)構(gòu)劃分示意圖1

同時該方法支持原子操作，即一次數(shù)據(jù)更新操作執(zhí)行的結(jié)果，或者是數(shù)據(jù)更新成功，或者是數(shù)據(jù)未更新，仍然未原始數(shù)據(jù)，不會出現(xiàn)舊數(shù)據(jù)被刪除而新數(shù)據(jù)未寫入的情況。

2.1 Flash結(jié)構(gòu)設(shè)計

本方法中，F(xiàn)lash硬件存儲器結(jié)構(gòu)需要按照如下方式進行設(shè)計和劃分（圖1）：

（1）Word：32bit，F(xiàn)lash寫操作的最小單元；

（2）Block：大小為4個words，每個page有32個data block；

（3）Page：大小為512字節(jié)+16字節(jié)（32個data block + 1個mapblock），page是Flash擦除操作的最小單元；

（4）Mapblock：page中額外增加的用于存放page信息的存儲單元；

（5）Sector：包含logic_page_setor個page+1個spare page；

（6）Spare Page：Sector中物理頁數(shù)會

比邏輯頁數(shù)額外多出的一個page，多出的這個page稱為spare page，spare page在方案中用于數(shù)據(jù)擦寫時的頁輪換及原子操作。

2.2 Flash操作定義

（1）Erasing：將flash cell狀態(tài)變?yōu)椤?”的操作稱為Erase，Erase的最小操作粒度為page；

（2）Writing：將已經(jīng)Erase的flash cell變成“0”的操作稱為Write，Write的最小操作粒度為word；

（3）Flash數(shù)據(jù)區(qū)支持word寫，Mapblock區(qū)支持bit寫操作。

2.3 Mapblock結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1 字段定義

（1）MAPADDR：6bits，存儲該物理頁在對應(yīng)的sector內(nèi)的邏輯頁號；

（2）MAPSTMP：2bits，時間戳，用于區(qū)分兩個頁的邏輯頁號相同時，數(shù)據(jù)的新舊；

（3）CNT：3bytes，該物理頁的擦除次數(shù)；

（4）ECC：6bits，以上三個字段的ECC校驗和；

（5）PDE：2bits，F(xiàn)lash頁寫操作（數(shù)據(jù)）完成標(biāo)志；

（6）PIE：2bits，F(xiàn)lash頁寫操作（管理信息）完成標(biāo)志；

（7）PLS：3bits，page生命周期狀態(tài)字段。

2.3.2 字段取值定義（表1）

2.4 數(shù)據(jù)更新操作

在進行數(shù)據(jù)更新操作時，首先需要找到當(dāng)前擦寫次數(shù)最少的一個page，然后將新的數(shù)據(jù)寫入到找到的page中，最后再將舊數(shù)據(jù)page擦除，使之稱為一個新的可用page。

圖2 數(shù)據(jù)更新流程

2.4.1 數(shù)據(jù)更新流程圖（圖2）

表1 標(biāo)志字段取值定義

2.4.2 數(shù)據(jù)更新流程說明

（1）通過mapblock中的CNT字段，查找擦除次數(shù)最少對空白頁（erased page），默認情況下，空白頁CNT字段（擦除次數(shù)）和PLS字段均已寫入合法值。

（2）寫數(shù)據(jù)：

■ PLS：寫入100；

■數(shù)據(jù)區(qū)：寫入目標(biāo)數(shù)據(jù)；

■ PDE：寫入00。

（3）寫page管理信息：

■ MAPADDR：寫入；

■ MAPSTMP：寫入（舊頁MAPSTMP基礎(chǔ)上+1，01-＞10＞11-＞01），擦除后的初始值為‘11’，軟件可通過讀出取反的方式取值（如物理初始值為‘11’，軟件讀出后認為是‘00’）；

■ ECC：寫入；

■ PIE：寫入00；

表2 掉電標(biāo)志及對應(yīng)操作

■ PLS：寫入000。

（4）擦除舊page：

■擦除舊page數(shù)據(jù)區(qū)及管理信息；

■舊page將原來的CNT值+1，寫入CNT；

■舊頁page的PLS寫入110。

2.5 Flash擦寫過程中的掉電恢復(fù)設(shè)計

如果在flash擦寫過程中產(chǎn)生干擾或者掉電，則可以通過以下標(biāo)志位信息和步驟進行掉電恢復(fù)操作（表2）。

2.6 Refresh機制

（1）芯片上電引導(dǎo)時，統(tǒng)計整個sector中，所有page已擦寫次數(shù)總和（sector_pages_erase_cnt）；

（2）每次擦寫操作時，在更新page擦寫次數(shù)（CNT）等同時，對sector_pages_erase_cnt+1；

（3）每次擦寫操作完成時，判斷sector_pages_erase_cnt是否達到某個閾值的整數(shù)倍（如1024、4096等）如果是，啟動page refresh；

（4）Page refresh操作：

■ 在所有有效數(shù)據(jù)頁中找出擦寫次數(shù)最小的頁A；

■ 在所有空閑頁中找到擦寫次數(shù)最多的頁B；

■ 將A的數(shù)據(jù)更新到B中，并擦除A，將A變成空閑頁。

3 方案分析

假設(shè)在n個熱點的情況下，則每個熱點的Endurance能力都相等，與熱點的擦寫順序無關(guān)，沒有不均勻的情況。

平均壽命符合下述公式：

EHS=105×(logic_page_setor+1)/n

圖3 EHS示意圖1

假設(shè)每個物理頁最大擦寫次數(shù)為10萬次：

每個Sector中邏輯頁數(shù)為16時，熱點壽命特性如圖3所示。

每個Sector中邏輯頁數(shù)為8時，熱點壽命特性如圖4所示。

圖中橫軸為熱點個數(shù)，豎軸單位為萬次。對一個固定Page進行頻繁寫操作，稱為一個熱點。EHS（Endurance of Hot Spot）表明在當(dāng)前熱點數(shù)量下，每個熱點平均的Endurance。

圖4 EHS示意圖2

結(jié)束語：本文設(shè)計了一種基于Nor Flash的sector內(nèi)page輪流擦寫、并且支持原子操作的方法。并分析得出了Nor Flash熱點區(qū)域壽命提高的效果。與常見的flash均衡方法相比，該方案的映射和均衡范圍可以調(diào)節(jié)，不用占用額外的用戶數(shù)據(jù)區(qū)存儲映射表等維護信息，而且可以通過參數(shù)的調(diào)節(jié)（logic_page_setor）達到不同的擦寫壽命要求，同時支持了原子操作功能。雖然較其他文獻提出方法顯著提升了功能和靈活性，但在sector內(nèi)部邏輯page數(shù)較少時，spare page相對于邏輯page比例占用還是略高，仍存在改進空間。