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【转】A Tutorial on NAND Flash  

2012-02-07 11:31:56|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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原文: http://esslab.tw/wiki/index.php/A_Tutorial_on_NAND_Flash_Memory_and_Its_Management_Issues

A Tutorial on NAND Flash Memory and Its Management Issues

學生:林燕屏

指導教授:張立平


目錄

Architecture

NAND Flash是由4096個Blocks所組成的,每個Block是由128個Pages所組成的,而每個Page是由4KBytes的User Data加上128Bytes的Spare Data所構成的,故每個Block的容量為528Kbytes,每個Page的容量為4224Bytes。其中,Spare Data主要是用來存放ECC(Error Correcting Code)、Bad Block Information和File System的資料。

Figure 1.Flash Memory Geometry

NAND Flash的操作特點為:抹除(Erase)的最小單位是Block,而讀取(Read)和寫入(Write)則是以Page為單位。因NAND Flash的每個bit只能由1變為0,而不能從0變為1,所以對Flash做寫入時一定要將其對應的Block先抹除掉,才能做寫入的動作,也因此同樣 一個page只能夠寫入一次。

Constraints and Functionalities

Constraints

Sequential Page program

在一個Block裡,Page必須從LSB(least significant bit) Page依序寫到MSB(most significant bit) Page,隨意不照Page address來寫入是禁止的。另外,LSB是寫入的Pages中最小的位址,不一定是Page 0。

Figure 2.Sequential Page program [1]

Partial Page program

在NAND Flash中,存取資料的最小單位是Page。在SLC Flash中,若想修改Page中的Data時可以更改部分的Bit而不需要將整個Page抹除後才更改。例如Page中的Data為1001011101,若想將Data改成1001010001,只需將其中的2個Bit更改為0即可,不用抹除後寫入。但之後的MLC Flash,已經不允許此功能了。

Performance-Improving Commands

Copy Back Program

Copy Back Program可以快速地將1頁的資料複製(Copy)到另1個指定的頁中,也對於垃圾收集(Garbage Collection)非常的有用。例如當1頁裡的資料壞掉造成整個區塊(Block)為損壞區塊(Bad Block, or Worn-Out Block)時,Copy Back Program可以有效率地將所有有效頁(Valid Page)的資料複製到指定的區塊中。

Copy Back Program是將1整頁的資料(來源Page)讀取且複製到內部頁緩衝器(Internal Page Buffer)中,再將它寫到另1整頁中(目標Page)。因為它不像一般的讀取、寫入指令將資料存取到外部記憶體(Memory),而是將資料存在內部 頁緩衝器中,所以會比一般的讀取加上寫入少了將資料讀寫到外部記憶體的時間,執行上也更快且更有效率。

Figure 3.Copy Back Program [1]

Random data input/output

當對Page的資料做讀寫時,必須將1整頁的所有資料都存在於外部記憶體中,當外部的RAM不夠大時,無法一次存放整個頁的資料,故利用NAND Flash的Internal Page Buffer來存放整個頁的資料,並使用Random Data Input/Output就可以對頁中任意位址的資料做存取。

對1頁裡的資料做一般的讀寫時,資料都是Sequential的,但若想要隨意存取1頁裡的資料,如想要存取ECC的資料,便可使用Random data input/output跳至User Data的尾端去存取ECC的資料。

-Plane program

NAND Flash Vendor將Memory Array分成2個Plane,可以同時對2個不同Block addresses做Read/Write/Erase的操作。

Figure 4.2-Plane Program [6]

NAND-flash Management Issues

Address Translation

NAND Flash Memory的同1個page不能做重覆寫入的行為。再者,在寫入1個sector資料之前,必須要有抹除1個Block的資料才能做寫入的動作,但抹除 1個Block的動作需要耗費相當多的時間,此舉造成了NAND Flash效能下降的最大原因。為了改善效能,最有效的方法就是減少Erase的次數,因此有了Mapping Table。

Mapping Table的管理分為Block level、Sector level以及改良的Hybrid level。

Block level的address mapping是指1個Logical Block對應到1個Physical Block,它的mapping table相對於sector-level的mapping table來的小,能夠節省mapping table所占RAM的使用量。但當Logical Block的個數少於Physical Block個數時,會發生Logical Block時常被overwrite的狀況,選定要overwrite的Logical block和它mapping的Physical Block都要將資料更新到新的Physical Block上,且做erase-before-write的動作,而造成效能的下降,此外轉換單位大,每次寫入的單位也大,因此會帶來額外的資料寫入成 本。

而Sector-Level的address mapping是1個Logical Sector可以對應到任1個Physical Block裡的Sector,雖然這種mapping的方式彈性佳,可以減少因轉換單位大而帶來額外的資料寫入成本,但是mapping table的Size過大,例如1GB的Flash,1個sector的大小為512byte的話,RAM就要維護二百萬筆的sector資訊。

Figure 5. 資料區塊,紀錄區塊,以及備用區塊的使用。

(a)完整的資料區塊(b)資料依序寫入紀錄區塊的可寫頁中(c)區塊鏈的Merge

改良的Hybrid level,擷取Block level和Sector level的優點,採用Block level的方式,再加上有限數量的Block做為Sector level的mapping,除了讓mapping table的size限制住不至於龐大,也減少了erase-before-write的動作。Hybrid level中,將Physical Block取名為資料區塊(Data Block),因為資料不能直接更新於資料區塊裡,我們找了一段可寫的Block來紀錄更新的資料,並將它取名為紀錄區塊(Log Block)。經過一段時間的寫入,一個LBA(Logical Block Address)對應會對應一個資料區塊,而此資料區塊會跟著數個紀錄區塊,整個形成一個區塊鏈(Block Chain),如圖5(b)所示。

Figure 6.Hybrid Level mapping table [7]

Hybrid Level在做write的時候,在寫第1、2筆資料時(sector 4,5),會由block level的mapping table找出Data Block 10,因為對應sector裡內容是空的,因此就直接寫入Data Block 10裡。而寫第3筆資料時(sector 4),由Block level的mapping table找到Data Block 10,但裡面已有寫入的資料,故改由sector level的mapping table找尋空的Log Block,寫入第3筆資料。在寫第4筆資料時(sector 4),因為sector level的mapping table裡已有mapped的Log Block,故將第4筆資料依序寫入對映的Log Block裡。

而在讀取時,會先由Sector level的mapping table裡,找出最新的資料,而Log Block裡沒有的資料,則由Block Level mapping table裡找到的Data Block裡。

Garbage Collection

主要是用於將不必要存在且浪費空間的Block做回收,來增加可用的Block數。當需要新的Log Block時,會從已經使用的Log Block裡選取符合回收條件的Block來做Garbage Collection,如free sector低於threshold值。

被選定要回收的Log Block,會和它的Data Block做merge的動作,意即選取新的Data Block,將Log Block中sector資料copy到此新的Data Block中,再將原先Data Block中剩餘的sector資料複製到此新的Data Block中。

更新block-level table對應到新的Data Block,並將sector-level table裡將剛才回收的Log Block移除。原先的Log Block和Data Block做抹除的動作,即完成Garbage Collection了。

例如Figure 4中,要將Log block(pbn=20)做回收時,會將此log block中最新的資料(sector 4)複製到新的Data Block中(假設為pbn=12),再將它的Data block(pbn=10)中,其餘的資料(sector 5)複製到新的Data Block(pbn=12)中。並將block level table中對應到pbn=20的資料改為對應到pbn=12,即新的data block,再將sector level table中pbn=20(回收的log block)這筆資料刪除。最後將pbn=20,pbn=10舊的block做抹除的動作即可。

Merge在一種特殊情況下,可以做switch的動作,例如像Figure 4中,Log Block(pbn=30)裡是照sector的順序寫入,因此它的Data Block(pbn=11)裡的資料都是不需要使用的舊資料,要做Garbage Collection,只需要將Log Block和Data Block對調即可,即block-level table裡對應到pbn=11這筆資料改為對應到pbn=30,而sector-level table裡對應到pbn=30這筆刪除,然後將舊的Data Block(pbn=11)抹除就達到Garbage Collection了。

Figure 7.Garbage Collection Operation [3]

當在做Garbage Collection時,會希望用最少的cleaning work來獲得最多的free space,因此會選擇最多garbage的segment來做回收。另外,將資料的型態分為靜態和動態的資料。其中,Read-only data屬於靜態資料,即一旦創造就不會去修改它,而動態資料是會被修改的。動態資料依其資料修改頻率分為cold data(較少修改的資料)和hot data(修改頻繁的資料)。

依不同的資料型態,做資料搬移時的方式也分為三種:

Read-only Data mix with dynamic data

當要被回收的segment中有read-only data時,會先將所有的read-only data搬到新的segment裡。若此新的segment又會被回收時,之前搬移過的read-only data仍然會再被搬移一次。另外,當一個segment中的資料都為read-only data時,則此segment永遠不會被回收的。

Figure 8.Repeatedly migrating read-only data when they are mixed with dynamic data [9]

Cold data mix with hot data

當要被回收的segment中有cold data和hot data時,因cold data更改的頻率較少,在cleaning的期間cold data有較高的可能性為valid的,因此會將cold data搬移到新的segment裡。

Figure 9.Migrating cold data when they are mixed with hot data [9]

Data have high locality of reference

當要被回收segment中的data是有高度被參考性的,這些hot data在cleaning的過程中仍可能是valid,但在被搬移到新的segment時,hot data又被更新一次而成為garbage,這類的搬移即稱為useless migration。

Figure 10.Useless migration when hot data are updated soon after being migrated [9]

Wear-Leveling

當在使用Flash時,常會對某個檔案做修改的動作,當此時檔案變動而要用到更多的Page且Flash中仍有空的Block時,會將空的 Block配置給此檔案來使用,若Flash中已經沒有空的Block時,則會執行Garbage Collection來清出空的Block以供使用。在挑選空的Block或執行Garbage Collection清出空的Block時,可能會造成部分的Block時常被挑選,這些Block可能因為被過度使用而造成損毀。為了避免這種情況發 生,會使用Wear-Leveling,讓大部分Block的存取次數平均,而不會常常挑選到某些固定的Block上,造成Block的過度存取而損毀。

再者,NAND Flash抹除和寫入的reliability有使用的次數(100,000次),使用wear-leveling可以紀錄並平均每個block被使用的次數。

Wear-Leveling有兩種方式來實現,一種是在FileSystem和NAND Flash中間的FTL(Flash Translation Layer)裡實現的。FTL可以讓上層的OS透過FTL以disk的方式去讀寫下層的NAND Flash,另外也提供了virtual address和physical address的轉換。

Figure 11. Wear Leveling in the FTL [4]

另一種的實現方法為Wear Leveling直接在FileSystem裡實現,OS直接透過HAL和NAND Flash溝通。

Figure 12.Wear Leveling in the File System [4]

Flow Chart

Read

Figure 13 Read Operation Flow Chart

Erase

Figure 14 Erase Operation Flow Chart

Write

Figure 15 Write Operation Flow Chart

Timing/Power

Timing

Read Operation

BandWidth:39.82MB/s

Write Operation

BandWidth:4.66MB/s~1.36MB/s

Erase Operation

Power

P(typ)=3.3V*15mA=49.5mW

P(max)=3.6V*30mA=108mW

Read Operation

E(typ)=49.5mW*(195+180+4224*25+100)ns=49.5mW*106075ns

=

J

E(max)=108mW*(195+180+4224*25+100)ns=108mW*106075ns

=

J

Write Operation

E(typ)=49.5mW*(295+4224*25+100+

+200)ns

=49.5mW*906195ns

=

J

    E(max)=108mW*(295+4224*25+100+

+200)ns

=108mW*3106195ns

=

J

Erase Operation

E(typ)=49.5mW*(245+

+200)ns=49.5mW*1500445ns

=

J

E(max)=108mW*(245+

+200)ns=108mW*10000445ns

=

J

Reference

  • Samsung Electronics, "K9GAG08UXM Specification"
  • Alex Kuo, "Application Note: Partial Page Program MirrorBit ORNAND with NAND interface", Spansion
  • STMicroelectronics, "AN1821 Garbage Collection in Single Level Cell NAND Flash memories"
  • STMicroelectronics, "AN1822 Wear Leveling in Single Level Cell NAND Flash memories"
  • STMicroelectronics, "AN1728 How to use the Copy Back feature of ST Small Page NAND Flash memories"
  • Amber Huffman, ONFI Technical Chair, "Flash Performance Enhancements through ONFI", Intel Corporation
  • S.-W. Lee, D.-J. Park, T.-S. Chung, D.-H. Lee, S.-W. Park, H.-J. Song, "A Log Buffer-Based Flash Translation Layer Using Fully-Associative Sector Translation", ACM Transactions on Embedded Computing Systems, Vol.6,No.3,Article 18,Publication date: July 2007
  • STMicroelectronics, "AN1820 How to use the FTL and HAL Software Modules to Manage Data in Single Level Cell NAND Flash Memories"
  • Mei-Ling Chiang, Paul C. H. Lee, Ruei-Chuan Chang, "Cleaning Policies in Mobile Computers Using Flash Memory", Journal of Systems and Software, v.48 n.3, p.213-231, Nov. 1, 1999
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