摘要:Nand Flash以其優(yōu)越的特性和更高的性價(jià)比,在現(xiàn)代數(shù)碼產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。在片上系統(tǒng)芯片中集成Nand Flash控制器成為一種趨勢。本文提出了在一款基于ARM7TDMI CPU CORE的片上系統(tǒng)( SoC)芯片中的Nand Flash控制器實(shí)現(xiàn)方案。通過直接內(nèi)存存取(DMA)的數(shù)據(jù)傳輸方式,使Nand Flash的數(shù)據(jù)傳輸速率得到了一定提高,滿足了實(shí)際應(yīng)用的設(shè)計(jì)要求。該設(shè)計(jì)方法已通過了RTL級(jí)驗(yàn)證、FGPA驗(yàn)證,并在實(shí)際芯片的演示樣機(jī)上得到了具體實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞:片上系統(tǒng);Nand Flash;直接內(nèi)存存取

1　引　言

    Flash因?yàn)榫哂蟹且资约翱刹脸栽跀?shù)碼相機(jī)、手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理( PDA)、掌上電腦、MP3播放器等手持設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。自1989年東芝公司發(fā)表了Nand Flash結(jié)構(gòu)以來, Nand Flash以其相對(duì)于Nor Flash具有更小的體積,更快的寫入和擦除速度,更多次的可擦除次數(shù),以及更低廉的每bit價(jià)格得到了迅速發(fā)展。大容量的Nand Flash特別適合現(xiàn)在數(shù)碼設(shè)備中大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)攜帶,可以降低成本,提高性能。

ARM7TDMI是世界上廣泛使用的32位嵌入式RISC低端處理器內(nèi)核,在基于ARM7TDMI內(nèi)核的SoC( System on Chip )芯片中集成Nand Flash控制器將大大擴(kuò)寬芯片應(yīng)用范圍、降低芯片成本、提升產(chǎn)品性能。但是,Nand型閃存的使用相對(duì)于Nor型閃存在硬件設(shè)計(jì)和軟件控制上都有相當(dāng)?shù)碾y度,值得在技術(shù)上進(jìn)一步探索和研究。

2　Nand Flash的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)其讀寫的限制

   筆者選用的Nand Flash是東芝TC58512FT(見圖1) ,該款的Nand Flash 以528個(gè)byte 組成一個(gè)頁(page) , 32個(gè)頁組成一個(gè)塊( block) ,由4096個(gè)塊組成整個(gè)Flash存儲(chǔ)器。在每頁中前512bytes是用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù),而后16bytes則用于存放ECC數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼,稱為OOB(Out of Bank)區(qū)。對(duì)Nand Flash讀出和寫入是以頁為單位,而對(duì)其擦除則是以塊為單位,在存儲(chǔ)組織上和硬盤采用的方式類似。在讀出和寫入時(shí)數(shù)據(jù)量都必須是頁大小的整數(shù)倍,這一點(diǎn)上和NorFlash可以隨機(jī)讀寫的方式完全不同,但對(duì)于大數(shù)據(jù)量的讀寫而言這正是Nand Flash其優(yōu)點(diǎn)的體現(xiàn)。

   基于Nand Flash特殊的組織結(jié)構(gòu),在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了一種適合其讀寫按單位大小特點(diǎn)的傳輸方式,即利用DMA(DirectMemory Access)方式,每次讀寫配置DMA通道,使傳輸一整頁的數(shù)據(jù)量。在傳輸過程中, DMA 模塊占用總線,傳輸完成后,釋放總線。因?yàn)镈MA地?cái)?shù)據(jù)傳輸效率要高于CPU CORE通過直接向Flash發(fā)送指令然后讀寫Nand Flash I/O口數(shù)據(jù),所以這樣的設(shè)計(jì)有利于提高讀寫速度,從而提高Nand Flash控制器性能。

圖1　TC58512FT 512M-bit   Nand Fla sh組織結(jié)構(gòu)圖

3　Nand Flash控制器的結(jié)構(gòu)和工作流程

  如圖2所示,Nand Flash控制器和DMA控制器(DMAC) 都是AMBA (ARM 總線標(biāo)準(zhǔn)) 高速總線AHB上的master模塊,都包含符合AMBA標(biāo)準(zhǔn)的總線接口模塊與之交互工作。

圖2　Nand Flash控制器和DMA模塊組織結(jié)構(gòu)圖

Nand Flash控制器包含總線接口模塊,控制狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)控制模塊,用以緩沖數(shù)據(jù)、收發(fā)命令和狀態(tài)字的寄存器組,提供ECC校驗(yàn)糾錯(cuò)碼的ECC算法編程/解碼器模塊和直接控制“裸”Nand Flash體的接口模塊。

   總線接口模塊負(fù)責(zé)接受ARM CORE(CPU核)發(fā)送的指令,將收發(fā)數(shù)據(jù)送至相應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器和指令寄存器,并將狀態(tài)寄存器內(nèi)容返回給CORE。寄存器組負(fù)責(zé)整個(gè)Flash控制器的控制工作,包含指令、狀態(tài)、數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤地址寄存器等等,是控制器的核心。ECC算法編程/解碼器模塊提供校驗(yàn)功能,提供糾錯(cuò)信息。

   狀態(tài)控制模塊提供包括命令字發(fā)送狀態(tài)組、地址發(fā)送狀態(tài)組、讀狀態(tài)組、寫狀態(tài)組共21種Nand Flash狀態(tài)的翻轉(zhuǎn),用以發(fā)出對(duì)Nand flash讀寫控制信號(hào)。與Nand Flash直接連接的接口模塊提供Nand Flash體工作電壓、使能和動(dòng)作時(shí)所需的相應(yīng)的電平狀態(tài),例如圖3所示讀時(shí)序要求。該模塊受到狀態(tài)機(jī)控制模塊的控制。該控制器對(duì)電平的控制 簡化了軟件工作,驅(qū)動(dòng)軟件不必再按照讀寫時(shí)序配置繁瑣的控制電平。

圖3　Nand Flash讀時(shí)序圖
　
以從Nand Flash中讀取一頁數(shù)據(jù)塊到內(nèi)存首地址0x30000000為例,分析該控制器的工作過程。首先,由ARM CORE發(fā)出配置DMA某一通道的指令,配置DMA源地址寄存器為Nand Flash數(shù)據(jù)寄存器地址,目標(biāo)地址寄存器為0x30000000,配置DMA _Control、DMA _ Config 寄存器, 設(shè)定DMA傳輸?shù)腂urst傳輸大小、數(shù)據(jù)寬度、總數(shù)據(jù)量(應(yīng)為頁大小512bytes)等等并使能該通道,等待其他master模塊發(fā)送的請(qǐng)求信號(hào);其次,配置Nand Flash控制器的地址寄存器(指定從Flash 中哪一頁讀取數(shù)據(jù)) 和Nand _ Config 寄存器; 最后, 發(fā)送讀命令字0x80000000,向DMAC發(fā)出傳輸請(qǐng)求信號(hào)。一旦請(qǐng)求被接受,DMAC占用AHB總線,開始高速塊傳輸。

Nand Flash控制器不斷從Nand Flash體中通過8位I/O口分4次讀取32位數(shù)據(jù)放置到Flash數(shù)據(jù)寄存器中,DMA從該數(shù)據(jù)寄存器中讀取數(shù)據(jù)到DMA數(shù)據(jù)緩沖fifo中。當(dāng)fifo內(nèi)數(shù)據(jù)量達(dá)到設(shè)定的Burst大小時(shí),運(yùn)送至指定內(nèi)存地址, DMA數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器減1,然后繼續(xù)從Nand Flash數(shù)據(jù)寄存器中讀取數(shù)據(jù),填充DMA數(shù)據(jù)緩沖區(qū),直至計(jì)數(shù)器至0,即完成預(yù)先設(shè)定搬運(yùn)數(shù)量, DMA釋放總線,這樣就完成一頁數(shù)據(jù)的讀取工作。如果繼續(xù)讀,則需要由CORE重新發(fā)起命令,配置DMA和Nand Flash各寄存器。當(dāng)然,DMAC和Nand Flash必須用同一個(gè)HCLK進(jìn)行同步,保持模塊間動(dòng)作的一致。而向Nand Flash中寫數(shù)據(jù),控制過程大致相同,數(shù)據(jù)流方向相反。

相比與直接由CORE 發(fā)送命令字給NandFlash,然后直接從I/O 口讀寫數(shù)據(jù)的工作方式而言,通過DMA方式的傳輸,效率明顯要高。特別在連續(xù)讀取大批量數(shù)據(jù)的情況下,這種工作方式優(yōu)點(diǎn)能更好的體現(xiàn)。在實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用中(如數(shù)碼照片的存取) ,讀寫數(shù)據(jù)量一般都是頁大小的上千倍,所以這樣的設(shè)計(jì)有助于提高實(shí)用性。出于SOC芯片面積和功耗的考慮,簡化了通用控制器的一些功能,如識(shí)別芯片型號(hào)。因?yàn)樵诰唧w應(yīng)用時(shí),具體的NandFlash型號(hào)是確定的,只需在驅(qū)動(dòng)開發(fā)時(shí)跳過這一步,直接填上具體已知的信息即可。

4　模塊驗(yàn)證和應(yīng)用開發(fā)

4. 1　模塊驗(yàn)證
該模塊已經(jīng)先后通過了帶有ARM7TDMI CORE的SUN服務(wù)器上進(jìn)行寄存器級(jí)(RTL)仿真、后仿真驗(yàn)證和在ARM FPGA開發(fā)板上的驗(yàn)證,并在實(shí)際芯片演示樣機(jī)上得到了具體的應(yīng)用驗(yàn)證。編寫測試向量( Testbench)在SUN服務(wù)器上進(jìn)行VCS驗(yàn)證,截圖見圖4。圖中信號(hào)內(nèi)容為系統(tǒng)總線信號(hào)。

圖4　SUNSERVER Nand Fla sh控制器RTL信號(hào)仿真時(shí)序圖
　　
在ARM FPGA開發(fā)板上,使用ADS開發(fā)套件和ARM Multi - ICE進(jìn)行驗(yàn)證程序的屏幕截圖見圖5。

圖5　ARM ADS開發(fā)系統(tǒng)界面
　　
內(nèi)存區(qū)內(nèi)顯示的是用C語言編寫的測試程序。一般過程是先擦除Flash某塊地址的數(shù)據(jù),然后向該地址寫入一定量數(shù)據(jù),再將其讀出,在內(nèi)存區(qū)就可以看到開發(fā)板上SDRAM或者SRAM的內(nèi)容,該內(nèi)容應(yīng)該和寫入的數(shù)據(jù)完全一致,如果一致則讀寫都成功。ADS開發(fā)套件的使用在此就不展開描述。

4. 2　關(guān)于bootloader和從Nand Flash啟動(dòng)系統(tǒng)
由于Nand Flash生產(chǎn)廠家保證第一個(gè)block是available block (可用塊) ,可以把啟動(dòng)代碼( bootloader)放置在Flash的第一個(gè)page內(nèi),以實(shí)現(xiàn)從NandFlash啟動(dòng)系統(tǒng)。設(shè)置外部跳線,選擇系統(tǒng)從Nand Flash啟動(dòng)方式。當(dāng)帶有芯片的系統(tǒng)板上電啟動(dòng)時(shí), DMAC默認(rèn)占用系統(tǒng)總線,自動(dòng)從Nand Flash的第一個(gè)page搬運(yùn)數(shù)據(jù)(即事先燒入的bootloader程序)到芯片片內(nèi)的ESRAM,并從ESRAM開始順序執(zhí)行bootloader語句。
該段代碼用匯編語言編寫,完成的主要工作是:
(1) 片外存儲(chǔ)控制器( EMI)的初始化,使內(nèi)存可讀寫;
(2) 搬運(yùn)存儲(chǔ)在Nand Flash中的操作系統(tǒng)Kernel代碼到較大容量的內(nèi)存(一般是SDRAM) ,然后設(shè)置remap寄存器,使Kernel所在內(nèi)存地址指向零,以滿足中斷向量表必須從零地址開始存放的要求;
(3) 最后設(shè)置程序計(jì)數(shù)器( PC)到零,從Kernel代碼開始運(yùn)行,真正的開始啟動(dòng)操作系統(tǒng)。
上述應(yīng)用在實(shí)際芯片的演示樣機(jī)中已經(jīng)得到具體的實(shí)現(xiàn),達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

5　結(jié)束語

本文提出了在一款片上系統(tǒng)( SoC)芯片設(shè)計(jì)中的Nand Flash控制器實(shí)現(xiàn)方案,并介紹了驗(yàn)證過程和應(yīng)用。該設(shè)計(jì)方案已在成品芯片的演示樣機(jī)的應(yīng)用中得到證實(shí),具有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用價(jià)值,達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。