1前言
     慣性導(dǎo)航系統(tǒng),、各種導(dǎo)引頭及空間飛行器等測(cè)試和記錄應(yīng)用系統(tǒng)，都需要自主,、實(shí)時(shí),、可靠存儲(chǔ)大量的關(guān)鍵信息，并保證即使整個(gè)系統(tǒng)掉電,，所采集到的數(shù)據(jù)仍能長(zhǎng)時(shí)間保持不丟失,，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢，便于數(shù)據(jù)分析,。NAND Flash閃速存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱閃存)以其掉電非易失,、功耗低、壽命長(zhǎng),、容量大,、升級(jí)容易等獨(dú)有的特點(diǎn)迅速成為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的最佳選擇。
     某型激光陀螺慣導(dǎo)單元需要在湖試和海試試驗(yàn)過程中記錄大量導(dǎo)航參數(shù),，為了便于在試驗(yàn)結(jié)束后有效分析數(shù)據(jù),。這里提出一種基于大容量閃存器件K9KAG08UOM與DSP的接口設(shè)計(jì)方案。在激光慣導(dǎo)的計(jì)算機(jī)板上集成了一片NAND Flash閃速存儲(chǔ)器,，根據(jù)試驗(yàn)的次數(shù)和每個(gè)航次存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量的大小,，選用SAMSUNG公司的K9KAG08UOM存儲(chǔ)器；為滿足導(dǎo)航控制的周期和算法的復(fù)雜程度,，選用TI公司的浮點(diǎn)DSPTMS320C6713B作為主控處理器,。TMS320C6713B的主頻可達(dá)300 MHz，浮點(diǎn)運(yùn)算速度可達(dá)1．8 GFLO／S,，是目前運(yùn)算速度最快的浮點(diǎn)器件之一,，已成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主流處理器,。其中NAND Flash與DSP的接口設(shè)計(jì)是整個(gè)計(jì)算機(jī)板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分,，這里詳細(xì)介紹大容量NAND Flash與DSP接口設(shè)計(jì)的硬件接口電路和軟件實(shí)現(xiàn)方法。

2 大容量閃存K9KAG08UOM簡(jiǎn)介
    K9KAG08UOM是大容量,、高可靠性的NAND Flash存儲(chǔ)器,。其存儲(chǔ)容量為2 G字節(jié)(2 Gx8 bit),；可將數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用為8條I／O線。并分別提供命令控制信號(hào)線,；命令,、地址和數(shù)據(jù)信息均通過8條I／O線傳輸，不會(huì)因存儲(chǔ)容量的增加而增加引腳數(shù),，從而極大方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品升級(jí),，而無需更改外部硬件連接，因此成為嵌入式系統(tǒng)中實(shí)時(shí)存儲(chǔ)大容量數(shù)據(jù)的最佳選擇,。
    K9KAG08UOM引腳排列如圖1所示,，其引腳功能如下：
    I／O0～I(xiàn)／O7：8根地址、數(shù)據(jù)和命令復(fù)用信號(hào),。用于輸入命令,、數(shù)據(jù)、地址及輸出數(shù)據(jù),。
    CE：片選信號(hào),。用于選擇控制器件。
    WE：寫使能信號(hào),。通過該端口可在寫脈沖的上升沿鎖存指令,、地址和數(shù)據(jù)。
    RE：讀使能信號(hào),。在讀信號(hào)的下降沿,，輸出數(shù)據(jù)有效，并可累加其內(nèi)部數(shù)據(jù)地址,。
    CLE：命令鎖存使能信號(hào),。CLE為高電平時(shí)，命令通過I／O端口線在寫信號(hào)的上升沿被鎖存入命令寄存器,。
    ALE：地址鎖存信號(hào),。在寫信號(hào)的上升沿且地址鎖存信號(hào)為高電平時(shí)，地址被鎖存,。
    WP：寫保護(hù)信號(hào),。WP為低電平時(shí)，禁止寫或擦除操作,。
    R/B：準(zhǔn)備就緒或忙輸出顯示信號(hào),，當(dāng)R／B為低電平時(shí)，表示有編程,、擦除或隨機(jī)讀操作正在進(jìn)行,，操作完成后．R/B信號(hào)自動(dòng)返回至高電平。

3 硬件接口設(shè)計(jì)
3．1 計(jì)算機(jī)板設(shè)計(jì)方案
    激光陀螺慣導(dǎo)計(jì)算機(jī)板以CPU為核心,，完成數(shù)據(jù)的采集,、運(yùn)算,、通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等任務(wù),。計(jì)算機(jī)板的設(shè)計(jì)原理如圖2所示,。

    計(jì)算機(jī)板主要包括：核心CPU完成導(dǎo)航計(jì)算及對(duì)外圍接口的管理與控制等：監(jiān)控與導(dǎo)航Flash完成程序的自主加載引導(dǎo)；NAND Flash完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與下載,；FPGA輔助完成A／D轉(zhuǎn)換時(shí)序控制,、總線譯碼控制、開關(guān)電路控制,、分頻及脈沖計(jì)數(shù)等功能：4通道串行控制器 TL16C754控制4個(gè)通道串口,。
    主機(jī)CPU選用DSP器件 TMS320C6713B，其內(nèi)含浮點(diǎn)數(shù)值處理器,，支持64位浮點(diǎn)運(yùn)算,，內(nèi)部RAM容量為256 K字節(jié)，主頻最高可達(dá)300 MHz,，帶有的鎖相環(huán)電路使其能夠通過軟件編程設(shè)置實(shí)際工作頻率,。
    根據(jù)系統(tǒng)時(shí)序控制和計(jì)數(shù)等功能需要邏輯門的大小．FPGA選用ACTEL公司的APA300,。該器件內(nèi)部自帶ROM,，上電后自主運(yùn)行，無需外部ROM引導(dǎo),，可靠性高,。
    串行通信控制器選用，TI公司的TL16C754B,。該器件采用3．3 V供電,，功耗低，內(nèi)部有4個(gè)并行的串行通信控制器,，內(nèi)部白帶FIFO模式,，與DSP無縫接口，使用靈活方便,，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要,。

3．2 NAND Flash與DSP硬件接口設(shè)計(jì)
    大容量閃存NAND Flash與DSP之間的接口設(shè)計(jì)是CPU板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。DSP主要通過EMIF外部存儲(chǔ)器接口訪問片外存儲(chǔ)器,，TMS320C6713B可與大多數(shù)的同步存儲(chǔ)器和異步存儲(chǔ)器靈活配置,，使用簡(jiǎn)單方便。TMS320C6713B與K9KAG08UOM的硬件接口電路如圖3所示,。

    TMS320C6713B的外部存儲(chǔ)器接口包括：20位地址線,、32位數(shù)據(jù)線、4個(gè)片選控制線及讀寫控制信號(hào)線。4個(gè)片選信號(hào)分別對(duì)應(yīng)4個(gè)存儲(chǔ)空間,，CE3對(duì)應(yīng)的地址空間為OxB0000000-OxBFFFFFFF,，設(shè)計(jì)中通過地址譯碼實(shí)現(xiàn)地址空間的分隔,，其中大容量閃存器件K9KAG08UOM的片選面對(duì)應(yīng)的地址為OxB0400000,。
    K9KAG08UOM無地址線，命令,、地址和數(shù)據(jù)信息均通過I／00～I(xiàn)／07傳輸,。雖然K9KAG08UOM的容量達(dá)到2 G字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出TMS320C6713B存儲(chǔ)區(qū)域CE3的可尋址容量256 M字節(jié),，但由于訪問NAND Flash的地址是通過I／O端口輸入,，無需通過地址線尋址，因此不用考慮邏輯存儲(chǔ)空間與實(shí)際物理空間的映射問題,，簡(jiǎn)化了DSP與NAND Flash的硬件接口,。
    TMS320C6713B和K9KAG08UOM的工作電壓均是3．3 V，因此兩者引腳可直接連接,，無需電平轉(zhuǎn)換,。設(shè)計(jì)中K9KAG-08UOM的ALE和CLE兩個(gè)信號(hào)分別由DSP的最低兩位地址EA3和EA2控制。DSP的低8位數(shù)據(jù)線直接與NAND Flash的I／00～I(xiàn)／07相連,。DSP的通用輸人輸出端口GP3接R/B,，用于監(jiān)測(cè)NAND Flash的工作狀態(tài)。當(dāng)R/B處于低電平時(shí),，表示有編程,、擦除或隨機(jī)讀操作正在進(jìn)行；當(dāng)R/B處于高電平時(shí),，表示操作已經(jīng)完成,。K9KAG08UOM的讀寫控制信號(hào)RE和WE由DSP的讀寫控制信號(hào)ARE和AWE和譯碼產(chǎn)生的片選信號(hào)CE通過邏輯或得到，只有當(dāng)DSP的讀寫控制信號(hào)和片選同時(shí)有效即為低電平時(shí)才能對(duì)K9KAG08UOM進(jìn)行讀寫操作,。
    該硬件接口設(shè)計(jì)利用DSP的地址線EA3,、EA2分別控制NAND Flash的命令鎖存ALE和地址鎖存CLE信號(hào)，此時(shí)對(duì)K9KAG08UOM的訪問相當(dāng)于訪問地址分別為OxB0400002,、OxB0400001和OxB0400000的3個(gè)端口．分別對(duì)應(yīng)K9KAG08UOM的地址端口,、命令端口和數(shù)據(jù)端口。DSP對(duì)K9KAG08UOM的命令,、地址和數(shù)據(jù)操作可通過不同端口進(jìn)行,。簡(jiǎn)化了對(duì)K9KAG08UOM讀寫控制和軟件編程設(shè)計(jì)的難度。

4 軟件設(shè)計(jì)
    NAND Flash的基本操作主要包括：讀數(shù)據(jù),，編程(寫)數(shù)據(jù),，擦除、讀器件ID號(hào)等。NAND Flash的軟件設(shè)計(jì)主要關(guān)注以下幾個(gè)方面：
    (1)讀,、寫操作以頁為單位,；
    (2)擦除操作以塊為單位；
    (3)對(duì)NAND Flash寫數(shù)據(jù)時(shí),，位數(shù)據(jù)只能由1變?yōu)?,，因此對(duì)Flash寫操作前必須把寫單元所在塊擦除；
    (4)NAND Flash同其他固體存儲(chǔ)器一樣會(huì)產(chǎn)生壞塊,，如果將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在壞塊區(qū)域?qū)?dǎo)致無法正?；謴?fù)。壞塊區(qū)域一般不超過器件總?cè)萘康?‰,，如果系統(tǒng)的工作狀態(tài)允許存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以出現(xiàn)少量錯(cuò)誤,，比如圖像記錄功能，軟件設(shè)計(jì)時(shí)可不用標(biāo)記為壞區(qū),；如果系統(tǒng)的工作狀態(tài)不允許存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)出錯(cuò),，則需根據(jù)器件出廠時(shí)自帶的壞塊信息表標(biāo)記壞塊區(qū)域，以保證數(shù)據(jù)不被寫到壞塊區(qū)域,。
    (5)在對(duì)NAND Flash進(jìn)行擦除,、編程或者讀取操作流程時(shí)，不允許有中斷信號(hào)打斷CPU的工作,，否則會(huì)讀寫錯(cuò)誤,。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，如果對(duì)NAND Flash進(jìn)行存取操作,，需先屏蔽中斷,，讀寫操作完成后再把中斷重新打開。
    NAND Flash最基本的塊擦除,、頁編程時(shí)序流程如圖4和圖5所示,。

5 結(jié)束語
    由于NAND Flash具有非易失性、大容量,、低成本,、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備,，激光慣導(dǎo)單元及紅外導(dǎo)引頭的圖像采集等智能儀器中得到廣泛應(yīng)用,。詳細(xì)介紹了大容量閃存K9KAG08UOM與TMS320C6713B的硬件接口電路和軟件程序設(shè)計(jì)，所采用的接口技術(shù)靈活,、簡(jiǎn)單,、可靠，在激光慣導(dǎo)單元進(jìn)行的湖試和海試試驗(yàn)中成功地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),。該接口設(shè)計(jì)方法可推廣應(yīng)用于大容量閃存器件與單片機(jī),、ARM及其他型號(hào)的DSP設(shè)計(jì)中。