【導讀】目前，存儲領域包括eMMC，SATA SSD ,PCIe SSD等控制器是一個非常熱門的領域。通常，由于NAND FLASH易于損壞的特性，因此需要控制器做額外的工作，才能滿足商用可靠存儲的需要。本文目的提出一種可以硬實現的均衡磨損，壞塊管理，以及邏輯地址映射的算法，（可芯片化）。用于替代處理器的軟件（FTL）實現，從總體上較CPU固件實現有較好的功耗比和高速性能的目標。

存儲控制器的所做的額外工作就是均衡磨損、壞塊管理、以及邏輯地址到物理地址映射的管理。通常在存儲控制器中需要集成CPU運行并運行相應的軟件才能完成上述的功能，而隨著存儲性能的增加，則需要更高性能的CPU或者多核處理器以及高速的處理算法。

NAND FLASH的管理說明：

1：NAND FLASH 只能按頁寫，且只能寫干凈的頁。（一個頁一旦寫過就不能寫第二次，除非被擦除）

2：NAND FLASH 能按頁讀，這個可以讀多次。

3：NAND FLASH 只能按塊擦。（一個塊包含多個頁）

4：NAND FLASH的出錯一般出現在寫，和擦除時，如果NAND FLSAH的塊在寫或者擦除時，出錯，則就不能再使用，內部內容需讀出寫入其他的位置。

5：如果NAND FLASH的管理中，如果重新改寫同一地址，則原地址內容作廢，邏輯映射一個新地址寫入（原因見規則1）。

1  基本操作：讀、寫

那么如何設計相應的硬實現算法：首先是考慮寫操作，每次寫都要寫一個干凈的地址。因此我們假設有一個模塊，每次吐出一個新的干凈頁地址，那么每次寫操作時，都申請從此模塊申請一個新地址。

寫NAND FLASH的步驟：（把大象關冰箱里的步驟）。

0：主機寫入一個邏輯地址（LA logic address）中一個page的數據（PD pagedata）。

1：從地址分配器（FIFO）中申請一個干凈頁地址（PA physical address），然后寫到新的頁地址中。（這個步驟前少一步，）

2：記錄邏輯地址和物理地址的對應關系。（LA->PA）到映射表。這樣完成寫的流程。

下次讀的時候：

0：主機讀取一個邏輯地址（LA logic address）。

1：查找映射表，對應的映射表LA->PA，則讀取PA的頁數據（PD）。返回主機。這樣就完成了讀的流程。

這樣考慮就是想法簡單了，上圖是正常的寫流程。由于寫FLASH的步驟，首先要確定原有邏輯地址在映射表里是否存在，映射表相應的表項刪除（刪除的表項會重新擦除使用，否則很快就會寫完）。

寫NAND FLASH的步驟：

0：主機寫入一個邏輯地址（LA logic address）中一個page的數據（PD pagedata）。

1：查看頁地址中是否有相關的邏輯地址表項，如果有，則刪除表項，否則直接到下一步。

2：從地址分配器（FIFO）中申請一個干凈頁地址（PA physical address），

3：記錄邏輯地址和物理地址的對應關系。（LA->PA）到映射表。

4：然后寫到新的頁地址中。

讀NAND FLASH的步驟：

0：主機從一個邏輯地址（LA logic address）中一個page的數據（PD pagedata）。

1：在映射標的表項中，查找LAn的表項。

2：查找對應的物理地址（PAm）。

3：從PAm讀出PD并返回主機。

2  擦除

從上述的機制來看，每次寫操作時，都會占用一個PAGE，而假設原有的邏輯地址內部存儲數據，則原有的邏輯地址對應的物理地址則被廢棄，因此需要將這些物理地址重新擦除后重新使用。（否則FLASH寫完一遍后，再也不能再寫）。

另一問題，page按頁來寫，而擦除按照塊來擦除，假設每個塊有512個page。

按照上述機制，每個塊都有512個page放入申請單元中，而這些page寫操作時，被依次申請，也就是說，BLOCK中每個page都會被寫滿，當這些物理page被重新寫時，則原有的page變成臟頁，可以被擦除。但是前提是512個page的都湊齊。那擦除的情況分為兩種，

情況1：一個塊（block）中，所有的page都被寫變成dirty后，可以擦除，放入地址分配器中。

情況2：地址分配器中剩余地址少于一定數量，則就考慮將那些仍然還有數據頁部分有效的塊（block）擦除，再進行分配。前提是，將數據頁先讀出換個地方存儲。

對于情況1，可以類似數通領域的組片，每個被重復寫的邏輯地址，就釋放一個物理地址，收齊一個塊中所有的物理地址（都被寫過后，釋放掉），就可以重新擦除后，重新放置在地址分配器中。

對應情況1來說：其觸發條件新的寫入page，原有page被回收后，放入地址回收器中：

因此擦除的步驟可以分為：

1：獲取被回收的物理地址PAn；

2：回收器檢查PAn所在的BLOCK n，所有的page是否收齊（每個塊用1bit標示，所有bit收齊為1時，可被回收），如果收齊轉入步驟3，否則置PAn已回收的標示。

3：通過NFC（NAND FLASH）擦除相應塊。

4：釋放地址（PAn … PAn+511）到地址分配器，供新的寫請求申請。

對于情況2，其觸發條件為，地址分配器中的可分配地址低于水位線（可用的地址少于一定數量）。

對于情況2來說：

1：地址分配器FIFO低于閾值，用于觸發地址回收器。

2：地址回收器，查找還剩最少page沒有收齊的BLOCK及相應的page（PAx，PAy，PAz）。

3：在映射表中，查找相應的物理地址所對應的邏輯地址；

4：通過地址分配器申請新的物理地址，并填寫在原來的映射表中。

5：讀取原物理位置的數據PD（X，Y，Z）。

6：將數據寫入新的申請的物理地址中。（4，5，6可以串行執行，循環多次，將未收齊的地址讀出）。

7：轉移完畢后，擦除原來的塊（BLOCK）。

8：將擦除后的塊地址，寫入地址分配器中。

完成后（就多出了接近一個BLOCK的地址空間，供上層應用寫入）

3  壞塊管理

NAND FLASH在寫或者擦除時，會出錯，出錯時，需要將此塊標記成壞塊，以后將不能使用。因此壞塊管理模塊，需要記錄所需要不能使用的壞塊。因此我們討論壞塊出現的兩種情況：

1：在擦除時，出錯，則此block為壞塊，壞塊管理單元記錄壞塊。

2：在寫某page出錯，首先所在塊（block）讀出剩余的page，分配新的物理地址，更新映射表，同時對該塊進行擦除，如果出錯標記為壞塊，如果有幸不出錯，則可以重新將地址放入地址分配器。

對于情況1來說：操作相對簡單；

對于情況2來說：壞塊管理單元的操作較為復雜：

1：寫操作，觸發壞塊管理單元工作。

2：寫出錯。壞塊管理單元受到觸發，記錄當前的物理壞塊的位置（M）。

3：同時將地址分配器中M壞塊中的剩余地址讀出，（禁止再向這些page中寫入數據）。讀出后，申請新的塊中的page，將當前數據寫入flash。

一種積極的處理方式如上圖所示：

4：查找該block對應剩余物理地址所對應的邏輯地址。

5：申請新的物理地址并記錄新的映射表。

6：讀出物理塊地址所對應的數據。

7：將數據寫入新申請的物理地址。

注釋：步驟4，5，6，7可以順序執行，循環多次，取決于該block的已用的page的個數；

8：等搬完畢后，重新擦除該塊（M）；

9：如果擦除成功，則將地址重新放入分配池，否則該塊丟棄。

另一種消極的方法：

在步驟3后，只需要記錄當前塊位置，將M壞塊中的剩余地址讀出后，放入地址回收器，等待該塊剩余位置被重新寫時，則該page被廢棄，由地址分配器收齊所有地址后再進行擦除。

剩余步驟從8開始，直接擦除該塊，擦除錯誤，直接廢棄該塊，擦除成功可重新放入地址分配器。

4  均衡磨損

均衡磨損是NAND FLASH的基本功能，通過將可用的地址放入先入先出的地址分配器中，能夠保證均衡磨損的效果。如何將磨損程度最小的可用塊，放入地址分配器（FIFO），是本節討論的要點?這個問題轉化為:設計均衡磨損管理模塊，其功能將磨損程度最小的塊，首先放入地址分分配器。

均衡管理模塊需要將統計所有塊的磨損次數，然后找到最小磨損的塊。對于需要分配地址時，如果涉及到查找最小磨損塊，則可能會影響寫的效率。因此，涉及一個鏈表，將塊的磨損次數按照次數的多少進行排序，如果磨損次數相同，則按照地址的大小排序。如此一來，則可以保證，則需要快速申請有效地址時，則可以按照鏈表的順序，迅速將可用塊地址放入地址分配器。

因此：對于均衡磨損來所，涉及到鏈表的生成和鏈表的讀取；

1.對于初始化時，由于此時所有塊都是可用的，因此其擦除次數可以都設置為1，此時課可以按照的地址的大小進行鏈表的鏈接。

2.對于地址回收器，來說如果已回收某塊，（如上圖中，地址回收器標示第4塊已被回收）。觸發均衡磨損管理模塊，標示其收到已擦除的塊。

3.將已擦除的塊（第四塊）擦除次數自加，標示為有效（可以將此塊放入地址分配器），

4.排序，建立新的鏈表。建立的過程一種方式是，查找到比其磨損次數多的塊n0，比其磨損次數少的塊n5,同時修改其上一塊（pre block）和下一塊（post block）。這樣就建立了一條按照磨損次數由小到大的鏈表。（建鏈的過程可以通過設計最新擦除的次數塊的cache，加大能夠碰撞的幾率，因為如果大塊數據的寫操作，其回收的塊的磨損次數應該近似，寫時申請page所在的塊磨損次數就接近（我們按照由小到大的順序放入的），因此回收時，磨損次數也接近，因此cache對處理此種空間相關性大的算法，效率較高）。

那什么時候均衡管理模塊將數據放入地址分配器中？

1.觸發條件：當地址分配器中的FIFO低于設定的閾值，觸發均衡管理模塊開始工作。

2.將入口地址n3塊放入地址分配器。（將塊號轉換為塊中所有的512個page號（假設為每個塊中有512個page）。

3.根據鏈表，將n5變為入口地址，等待下次觸發條件，然后將 n5放入地址分配器。

這樣，根據上述的算法，就可以使所有的塊，均衡的磨損，保證所有塊被擦除的次數一致。

5  總結

回應開頭，本文的目標是設計一種可以硬件（硬件描述語言）實現的NAND FLASH的均衡磨損的算法。替代CPU+軟件的方式實現在當前較熱門的存儲控制器中。

（1），所有的操作，都需要觸發條件（讀，寫，擦除，壞塊管理，均衡磨損），其他時間可以模塊可以休眠，因此功耗容易控制；預計比CPU有更好的能耗比（也跟實現相關）。

（2）硬件實現不取決于CPU的能力，特別是對于PCIe的NAND FLASH控制器來說，可以達到非常高的處理能力，瓶頸在NAND的讀寫擦除速率。

（3）缺點：設計中需要多個表項的管理。

1：映射表，管理邏輯page地址和物理page地址的對應關系。

2：地址回收器中，block內page的回收表；（每個page需要1bit表示）。

3：均衡管理模塊中的鏈表，存儲所有塊的磨損次數以及鏈表信息。

這些表項與NAND的大小有關系（是8G/16G/32G？）,這些表項是按比例增加的，因此NAND，這些表項需要大塊的RAM存儲。

其次映射表的查找，同時需要設計CAM模塊及操作，來加速表的查找。

如果在PCIe的控制器中，可以放在外部DRAM中，掉電檢測時，存儲在NAND中，加電時再將數據讀出。如果沒有外部DRAM，則就需要將映射表一部分放入NAND中，另一部分放入片內SRAM中，同時也會占用較多的SRAM。 同時需要不斷的取出及存入NAND中（這個設計同時保證可靠性就是一個挑戰）。

（4）：總結，此種算法應該適合應用于高速的NAND控制器中，替代高性能多核CPU來實現FTL。具有較高的能耗比與可行性。

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