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nand flash page 非易失性的存储介质（flash）——存储器

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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非易失性的存储介质（flash）——存储器

Flash是一种非易失性的存储介质，主要分为Nor和Nand两种。其中Nor Flash又分为Series（串行）和Parallel（并行）两种。SPI Flash就是Series Nor Flash。Nor Flash主要用于存储容量小的场景。其特点是读取速度快，擦除与写操作慢；Nand Flash容量大，读写与擦除速度快，主要用于需要大容量存储的场景。

1 Nand Flash

1.1Nand Flash的特点

由于Nand Flash生产工艺的原因，出厂芯片中会随机出现坏块。坏块在出厂时已经被初始化，并在特殊区域中标记为不可用，在使用过程中如果出现坏块，也需要进行标记。芯片厂商保证出厂时，Block 0不为坏块，但在使用过程中可能损坏。对于坏块而言，存储的信息可能会丢失，不能正常使用。另外在Nand Flash擦除或者编程过程中，出现操作失败后，表示该块不能正常使用，也应标记成坏块。所以在一般情况下，在操作NAND Flash之前，先要检查一下要操作的是否是坏块，以免坏块标记被破坏。此外，为了保证存储信息的可靠性，从Nand Flash中读取的数据还可以引入ECC校验，ECC码一般存放在该页的spare区。

1.2 Nand Flash的空间结构

NAND FLASH是一种多维的空间结构，一般由block，page等结构组成。所以在有的文件系统中就衍生出各种分区信息和扇区信息等。Nand Flash的page中包含有spare区。一般用于存储坏块信息，如芯片出厂时的坏块标志，或者使用过程中产生的ECC等。

1.3 Nand Flash的坏块处理

常见的坏块处理方式为跳过坏块(Skip bad block)

2 Nor Flash

2.1 Nor Flash的特点

Nor Flash的特点是读取速度快，擦写操作慢，不存在坏块，数据保存安全。

3经验案例

3.1 Nor Flash中不要使用memcpy而要使用flash read接口

原因：尽量使用统一接口操作flash，避免出现数据不一致的情况。

3.2 使用cramfs/squashfs做根分区，有些机器不能正常启动

原因：使用Nand Flash时，必须考虑坏块的因素。某些文件系统，如cramfs、squashfs，本身不带有坏块处理，在遇到根文件分区有坏块时，就不能正常启动。解决方法：在Linux驱动层增加针对cramfs、squashfs的坏块处理补丁。

3.3 使用Nand Flash其中存储数据概率性被破坏

原因：Nand Flash容易出现位反转，当反转的数据超过ECC所能纠正的范围后，数据就无法恢复。解决方法：1）确认使用的Nand Flash支持的ECC bit数，确保CPU支持。2）在某些平台（STH237系列），使用硬件ECC算法，需要增加特别补丁，来支持squash等文件系统。3）使用UBI文件系统，UBI针对nand flash的支持较好，本身也有针对坏块的处理。

3.4 EMMC需考虑分区表

常规flash通常采用类似下面的命令更新uboottftp 82000000 u-boot.bin;mmc write 0 82000000 0 8000对于emmc,采用上面的命令后, 重启后发现无法启动盒子, 原因是需要给分区表预留512字节, 所以采用下面的命令:tftp 82000000 u-boot.bin;mmc write 0 82000000 1 7fff3.5 MT8637 EN9高温开关机出现死机问题

3.5 东芝Flash与镁光Flash差异

目前，公司所用到的4GB的Nand Flash有Toshiba：4701-T58BG0-0480Micon: 479B-M29BG2-0480在设计时需要注意第38脚，东芝工程师确认38Pin需要接3.3V上拉，否则有可能引起不稳定，导致片内很多坏块；而镁光规格书里的38pin是DO NOT USED，不能使用的。因此，在BOM中这两个物料不能作为替代料，如果BOM中两颗料都有的话，需要通过选择条件进行区分开。

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当一块SSD坏掉了，需要扔掉的时候，你是否想过，SSD里面是否已经真的删除干净，是否还有你私密的数据呢？特别是对银行业或者军工的SSD，里面包含了很多机密的数据，如果轻易的处理掉，很有可能会被别有用心的人利用，造成不可挽回的损失。

或者，换到另一个场景，你有一块机密的SSD丢了或者被偷了，如果你的SSD没有做任何保护的话，SSD里面存储的信息就直接暴露给别人了。

目前针对SSD数据安全有以下几种方案：

1. 数据加密

就加密而言，并不存在绝对的无法破解的加密技术，尽管从理论上讲AES256 bit加密方式无法通过暴力方式破解，但解密专家通过旁路攻击等手段仍存在破解AES的可能性，因此，有效的办法往往是通过几种加密方式的组合加强密码破解的难度，如：银行系统通常会采用一组私人密码加上硬件Key随机密码，二者组合才可以访问网银系统的方式达到安全防护的目的。

目前数据加密可以通过软件或者硬件的方式实现。

软件加密可以通过固件写入到SSD中，无法被删除和更改，无需安装，用户只需要通过运行软件就可以方便的对磁盘分区进行加密。几乎所有的SSD控制器都支持硬件AES加密（例如，Renice AES 加密原理图如下）。

此外，目前市场上还有指纹加密技术的固态硬盘。

2. 安全擦除

安全擦除功能分为加密块擦除、加密块和物理块擦除、军级擦除三种擦除级别，擦除程度依次加强，这三种级别的安全擦除均可保证擦除后数据不可恢复：

(1) 加密块擦除：主要擦除SSD控制器的各类映射表，如坏块管理、动态映射表、静态映射表、碎片回收表等，通过擦除NAND Flash的各类映射表，造成数据完全不可恢复，擦除时间小于3s。执行加密块擦除后，映射数据完全丢失，SSD数据完全不可恢复。

(2) 加密块和物理块擦除：除了进行加密块擦除外，还对所有的NAND Flash Block执行Erase操作，保证所有NAND Flash存储单元值恢复为出厂状态，即0xFF，擦除速度为3GB/s。执行加密块和物理块擦除后，映射数据及物理块数据完全丢失，SSD数据完全不可恢复。

(3) 军级擦除：军级擦除由加密块擦除、物理块擦除、NAND Flash存储单元Overwrite组成，加密块擦除和物理块擦除同上，NAND Flash存储单元Overwrite是向NAND Flash的每一个Page写入特定的数据或随机的数据。执行军级擦除后，映射数据完全丢失，NAND Flash所有Block执行过Erase操作，NAND Flash所有Page执行了特定或随机数据写操作，SSD数据完全不可恢复。

以上三种安全擦除对SSD本身并不会造成任何物理损毁。

3. 物理销毁

对于军事等敏感数据，使用软件删除或者数据覆盖等删除手段，并不一定完全避免数据被恢复的可能，相对而言，对物理介质进行损坏从数据安全性而言更加可靠，也是最直接最暴力的手段。比如，Renice公司提供一种通过高压将芯片击穿的方式从物理上避免芯片数据被恢复的可能。

此外还有通过强化学剂溶解（比如各种酸）或者强力通电或者磁场，加热烧灼，熔化的方式进行销毁。物理烧毁的难点在于如何保证SSD上所有的Nand Flash都被烧毁而无遗漏任何一个Nand Flash，例如：一块儿SSD上通常会有16片Nand Flash，是否会存在只烧毁一部分Nand Flash，而其他Nand Flash因为各种原因并没有按照设计要求真正被烧毁的情况。

销毁后Nand Flash状况:

目前市场上很多厂商有推出带有“一键销毁”功能的SSD, 一般配有两个按钮：绿色按钮为智能销毁模式，可将所有数据格式删除；想刺激那就按红色按钮，如同谍战电影般，青烟冒出主控、闪存均被烧毁，存储数据瞬间灰飞烟灭。

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