NAND Flash上均匀损耗与掉电恢复在线测试

摘要 NAND Flash以其大容量、低价格等优势迅速成为嵌入式系统存储的新宠，因此其上的文件系统研究也日益广泛，本文简要介绍了常用的NAND Flash文件系统YAFFS，并针对YAFFS在均匀损耗和掉电恢复方面进行在线测试。在给出测试结果的同时，着重研究嵌入式软件测试方案和方法；对测试结果进行分析，并提出改进方案和适用环境。
关键词 NAND Flash 均匀损耗 软件测试 YAFFS

引 言
随着嵌入式技术在各种电子产品中的广泛应用，嵌入式系统中的数据存储和管理已经成为一个重要的研究课题。Flash存储器具有速度快、容量大、成本低等很多优点，因此在嵌入式系统中被广泛用作外存储器件。嵌入式系统中的Flash存储器需要有自己的文件系统，而不能直接移植通用文件系统，主要有两个原因：第一，嵌入式系统的应用条件恶劣，电源电压不稳定，突发性断电以及非法插拔都容易造成灾难性的影响，通用文件系统对于可靠性的设计考虑不足；第二，通用文件系统的记录信息(如FAT表)需要被多次修改，而记录信息放在Flash存储器固定的区块中，将导致该区块的频繁操作，从而缩短Flash器的使用寿命。这样就对软件技术提出了更高的要求。
为了管理复杂的存储硬件，同时提供可靠高效的存储环境，出现了基于NAND和NOR的文件系统。目前主流的FFS(Flash File System)有如下3种：TrueFFS、JFFSx以及YAFFS。YAFFS(Yet Another Flash File System)是专门为NAND Flash设计的嵌入式文件系统，适用于大容量的存储设备。它是日志结构的文件系统，提供了损耗平衡和掉电保护等机制，可以有效地减小上述原因对文件系统一致性和完整性的影响。本文正是基于这样的前提，介绍了关于嵌入式YAFFS文件系统测试方案，针对文件系统中损耗平衡和掉电保护两个重要的系统性能指标进行实时在线的测试与分析，不同的应用环境使用该文件系统应进行相应的修改。

1 YAFFS文件系统概述
YAFFS文件系统类似于JFFS／JFFS2文件系统。不同的是，JFFSl／2文件系统最初是针对NOR Flash的应用场合设汁的，而NOR Flash和NAND Flash本质上有较大的区别。尽管JFFSl／2文件系统也能应用于NANDFlash，但由于它在内存占用和启动时间方面针对NOR的特性做了一些取舍，所以对NAND来说通常并不是最优的方案。
1．1 NOR和NAND的比较
基本上NOR比较适合存储程序代码，其容量一般较小(比如小于32 MB)，且价格较高；而NAND容量可达lGB以上，价格也相对便宜，适合存储数据。一般来说，128 MB以下容量NAND Flash芯片的一页大小为512字节，用来存放数据，每一页还有16字节的备用空间(SpareData)，充当OOB(Out Of Band)区域，用来存储ECC(Error Correction Codc)校验／坏块标志等信息；再由若干页组成一个块，通常一块为32页(16 KB)。与NOR相比，NAND不是完全可靠的。每块芯片出厂时允许有一定比例的坏块存在，对数据的存取不是使用线性地址映射，而是通过寄存器的操作串行存取数据。
1．2 YAFFs数据在NAND上的存储方式
YAFFS根据NAND闪存以页为单位存取的特点，将文件组织成固定大小的数据段。利用NAND闪存提供的每页16字节的备用空间来存放ECC检验信息和文件系统的组织信息，不仅能够实现错误检测和坏块处理，而且能够提高文件系统的加载速度。
YAFFS将文件组织成固定大小(512字节)的数据段。每个文件都有一个页面专门存放文件头，文件头保存了文件的模式、所有者id、组id、长度、文件名等信息。为了提高文件数据块的查找速度，文件的数据段组织成树形结构。YAFFS在文件进行改写时，总是先写入新的数据块，然后将旧的数据块从文件中删除。YAFFS使用存放在页面备用空间中的ECC进行错误检测，出现错误后会进行一定次数的重试；多次重试失败后，该页面就被停止使用。以(512+16)字节为一页的NAND Flash芯片为例，YAFFS文件系统数据的存储布局如图1所示。

2 YAFFS文件系统测
2．1 测试总体说明
YAFFS文件系统是开源的，测试基于白盒测试。在所关心的代码段中，插入测试代码。为保证测试代码不对原代码造成影响，测试后可立即恢复为原代码，所有测试代码(包括测试用变量和函数)均嵌入到#define FS_TEST宏定义中。
2.2 模拟文件的生成
嵌入式环境下对文件系统进行大量、长时间的测试存在很多问题，不易实现，对测试代码的插入和数据的监视也比较困难。这里采用PC模拟测试的形式，用文件的读／写模拟NAND器件，并在PC上对模拟文件监视，以达到测试的目的。代码定义了各种NAND器件的类型，以适应不同的器件。模拟器件时，也用这些信息生成相应的