NAND flash memory 이해하기.

Block
- NAND flash는 여러개의 Block으로 구성되며, Block단위로만 erase가 가능함.
- 64KByte ~ 512KByte의 크기를 가짐.
Page
- 하나의 Block은 보통 512Byte~8KByte 크기를 가지는 다수의 page들로 구성됨.
- Page는 NAND flash의 읽기 및 쓰기의 기본 단위로, byte 혹은 word 단위로 읽고 쓸수 있는 NOR flash에는 없는 개념이다. 즉 읽기 쓰기가 byte단위로는 불가능하기 때문에 driver에서 이를 고려하여 주어야 한다.

OOB(Out of Band)- Page마다 따라오는 수~수백 바이트 정도 크기의 extra 데이터 영역으로 16의 배수 바이트인 경우가 많다. spare영역이라고도 불린다.
- 이 영역은 사용자에게는 숨겨진 영역으로 아래와 같은 용도로 사용됨

1. Bad Block Marking : 특정 블록이 bad block일 경우 한 Block안의 첫 page 혹은 마지막 page의 OOB에 이를 표시함. 예를들어 최근에 출시되는 삼성 NAND는 공장 출하시부터 존재하는 bad block을 표시하기 위해서 bad block의 마지막 page의 첫 Byte를 Non-FF value로 표시함. 이는 NAND flash별, 제조사별로 다르며 해당 디바이스의 data sheet에서 확인해야 한다.
2. ECC(error correction codes)
3. File System Info.: 특정 file system은 이부분을 사용하여 구현됨.

이 영역은 대부분 r/w가 모두 가능함. 하지만 이 영역에 공장 출하시부터 존재하는 Bad Block Marking 정보가 지워질 경우 이 정보를 다시 살릴 수 있는 방법이 없으므로 절대로 OOB영역의 bad block 정보를 지우지 않도록 주의하여야 함. 필요시 이 정보를 사용하여 BBT를 작성하게 됨.


SLC/MLC- NAND flash의 type에는 SLC/MLC가 있는데 이는 각각 Single Level Cell/Multi Level Cell을 뜻함.
- SLC는 MLC보다 수명이 10배가량 길지만 가격이 비쌈. 따라서 write가 자주 발생하는 데이터용으로 적합.
- MLC에는 고용량이면서 write가 자주 발생하지 않는 데이터에 적합. (ex, MP3, video등 multimedia files)

BBT (Bad Block Table)- BBT는 boot loader나 flash관련 tool을 사용하여 flash를 erase 할 때 OOB를 참조하여 만들 수 있으며, Linux의 경우 kernel과 boot loader간에 BBT생성 규칙과 구조에 대해서 상호 협의가 되어 있음.

- BBT는 flash file system에 따라서 사용하기도, 사용하지 않기도 하므로 필수적으로 필요한 것은 아님.
- BBT를 만들어 놓으면 특정 block의 bad 여부를 빨리 확인할 수 있지만, BAD block 데이터가 OOB의 데이터와 항상 sync.가 되도록 주의하여야 하며, BBT를 기록하려는 block이 BAD block일 경우 어떻게 처리해야 할 지 등도 고려하여야 함.
- BBT는 두 개의 Block을 사용하며 NAND flash내의 마지막 Block에서부터 거꾸로 non-bad block을 찾아, 첫번째 발견된 non-bad block이 primary BBT, 두번째로 발견되 non-bad block이 secondary BBT가 됨.
- BBT에는 한 Block당 2bit를 사용하여 NAND flash 전체의 Block의 상태를 기록하는데, 각각의 Block은 "good", "bad" , "reserved" 세개의 상태로 표현됨.
- File System에서는 "good"으로 표시된 영역만 사용함. BBT가 저장된 Block은 "reserved" 로 표시하여 File System에서 덮어쓰지 못하도록 알려줌.


그 외 특성- NAND flash로 부팅하기 위해서 첫번째 sector에 boot loader가 위치해야 하는데, 첫 sector가 bad block이면 boot loader가 위치할 수 없으므로, 대부분의 제조사는 1st block이 bad block이 아님을 보증함.
- NAND는 NOR와 달리 읽기 횟수에도 제한이 있다. NAND에서는 매번 특정 블럭을 읽을때마다 해당 정보를 저장하는 전하가 약해진다. (물론 정보를 잃은 block은 erase후 다시 사용가능하다) 따라서 읽기 전용 파일이라 하더라도 해당 정보를 너무 여러번 읽어 데이터가 지워지기 전에 다른 곳으로 옮겨서 저장하는것을 고려하여야 한다. 또한 전체 파일 시스템 내에 읽기 전용 블록이 고정되어 있을 경우, 쓰기 가능한 영역에 erase가 집중되어 해당 영역의 수명이 짧아지는 문제도 발생할 수 있다(NOR도 마찬가지). 따라서 NAND용 flash file system은 설계 시 읽기 전용 블록의 읽은 횟수를 count하여 데이터가 유실되기 전에 다른 블록으로 옮겨 줌으로써, 데이터의 유실을 막고 flash erase가 읽기 쓰기 영역에만 집중되는 것을 피하도록 설계되어야 한다.
- NAND flash를 부팅 장치로 사용하는 경우 부트로더와 OS 영역은 일반적으로 file system의 관리를 받지 못하는 영역으로, flash의 읽기 수명이 해당 제품의 예상 수명보다 짧을 경우에는 해당 영역을 주기적으로 지운 후 다시 기록하여 주거나, 부팅 실패시 backup 영역에서 부팅을 재시도하도록 하는 등의 대책을 세워야 한다. 이는 해당 시스템의 NAND controller와 부트로더의 구현에 따라 적절히 설계되어야 한다.
- NAND flash는 NAND controller의 도움을 받아야만 부팅장치로 사용될 수 있다. 만약 NAND controller가 HW적인 ECC를 지원한다면 부팅 속도가 NOR보다 빠를 수도 있다. 최근의 SoC들은 대부분 HW적인 ECC및 부팅기능을 지원하는 NAND flash controller를 가지고 있다.

참조 링크http://wiki.openmoko.org/wiki/NAND_bad_blocks
NAND bad block management by uboot and kernel
NAND 플래시 메모리의 이해
http://www.ibm.com/developerworks/kr/library/l-flash-filesystems/