【MCU实战经验】+ Nand Flash文件系统（ FTL + FAT32）

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wkuang 发布时间：2014-4-1 23:04

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【ST MCU实战经验】之Nand Flash文件系统解决方案

背景：
研究生阶段在一家公司实习，主要做一款USB设备的底层驱动，类似BSP，当时有一个需求是设备的USB驱动不需要光盘来安装，而是将USB驱动存放在设备的存储空间内。
当设备通过USB连接电脑时能将存储设备内的Nand Flash当做一个U盘来使用，这样可以直接打开U盘来安装USB驱动。为什么选择Nand Flash来作为存储器而不是选择Nor Flash呢，
因为Nand Flash容量大，相对便宜，适合作为存储器，当前我们的手机、MP3、固态硬盘等存储设备都是使用的Nand Flash。在这里接触了Nand Flash 和FTL。

因为实习的原因，后续在毕业设计时直接使用Nand Flash的FTL结合FAT32文件来作为毕业设计课题，由于个人对STM32比较了解、熟悉，同时STM32F103及其后续版本的100 pin引脚以上芯片都支持
FSMC接口，因此硬件平台选择了STM32F4.

芯片选型：STM32F417ZET6
选型原因：
1、STM32F4支持FSMC总线，支持Nand Flash驱动接口，由于FTL软件本身需要占用较多RAM资源，可以通过FSMC新增一块SRAM。（STM32 100 pin以上芯片支持FSMC）
2、STM32F4支持USB device、OTG、Host，可以直接将设备接在电脑上模拟U盘的功能，也可以将U盘接在STM32芯片上，读写U盘的数据；

项目难点介绍：
1、Nand Flash的工艺不能保证NAND的存储块在其生命周期中保持性能的可靠，在NAND的生产中及使用过程中都可能会产生坏块
2、因此需要添加FTL功能实现坏块管理、存储块映射,将不连续的物理块转换成像磁盘一样连续的逻辑块
3、FAT文件系统是不均衡磨损，Nand Flash寿命有限，需要通过FTL来均衡Nand Flash的磨损，
4、需要移植当前现有的FAT文件系统，当时选择了FATFS
5、USB 方面的调试，虽然ST有官方的USB库，但是USB的调试相对比较困难，不能jtag单步调试，只能通过串口来查看。

FTL的实现原理：
FTL需要在RAM中建立一个缓冲区，写数据时首先将数据写到缓冲区中，一段时间后再将数据汇总后再写入Nand Flash中，避面频繁的写Nand Flash，
这样可以延长Nand Flash的寿命。FAT表和数据区不能固定，要将它混着使用，从而FAT表达磨损分布到各个块中，不会某个块很快的坏了。

硬件电路：
由于此硬件属于验证应用，所以板子电路很简单：1、STM32F4最小系统；2、USB OTG；3、USB转串口；4、Nand Flash和片外SRAM。硬件调试基本顺利，电路也是参考STM32F4官方评估板来实现的。
用官方例程验证硬件OK后，才开始软件测试。

软件调试：
1、将串口需要用到的打印函数全部弄好；已备后面的调试用途；
2、包括FATFS移植及到Nand Flash上，实现基本的文件读写功能；FATFS移植在网上有很多，Nand Flash 接口功能就是使用st自带的。 Nand Flash的驱动基本是一样的。没什么变化；
3、移植USB，实现将Nand Flash 枚举成一个U盘设备，可以通过PC机给Nand Flash拷贝；
以上三步基本花了1个多月的时间来完成。不算快也不算慢；
4、做FTL，在此步骤中ST官方历程中的FTL层，也参考了三星的官方参考文件、NFTL(Numonyx公司的，注Numonyx是Intel 和st的合资公司)以及网上搜到的effective flash translation layer。
这些算法各有所长，具体优势和劣势只做过简单的比较。
这段时间是漫长的等待，从最开始的VC模拟到板子上测试花了很长时间。

总结体会：
1、FTL当前是一个难题，但是各大Nand Flash厂商都有自己的方案，Linux上也有成熟的应用方案，此处只是作为研究课题。
2、STM32的库函数写的挺好，技巧性较强，很好移植，尤其是usb那一块的代码写的很有层次感；
4、usb是一个难题，本人计划再好好研究下usb协议及驱动；