文獻標識碼: A
K9F4G08是三星公司的512 MB NAND Flash,具有8 bit輸入輸出總線,。存儲空間共分成4 096個塊,,每個塊有64個頁,每個頁容量為2 KB,,外加64 B的備用空間,,組成256 K行×(2 K+64)列的存儲陣列,其地址用5個字節(jié)表示[1],。
K9F4G08具有自己的指令集,,可以完成對Flash一個頁的讀、寫以及對一個塊的擦除等操作,。有嚴格的時序要求以保證芯片正確地執(zhí)行相應的指令,。Flash在出廠時會有壞塊[1],壞塊是無法操作的,,這對于連續(xù)大批量的數(shù)據(jù)存儲來說有一定的難度,,需要建立一套Flash空間管理方案以保證壞塊不被讀寫,提高數(shù)據(jù)讀寫的可靠性,。
用FPGA直接管理Flash不僅是一種可行的方案,,而且還能精簡硬件結(jié)構(gòu)。但與具有專用Flash接口的MCU或ARM等高檔嵌入式微處理器不同,,F(xiàn)PGA不能通過簡單的讀寫指令編程管理Flash,,而必須按照時序要求對Flash的端口進行指令和參數(shù)的具體操作。若FPGA的主狀態(tài)機直接管理Flash,,將會使狀態(tài)機的狀態(tài)數(shù)量大量增加,,代碼將異常復雜,甚至無法完成設計[2][3],。
為解決上述問題,,本文設計了一個Flash控制器controller_4G08,它建立了自己的指令集,,可以方便地實現(xiàn)FPGA對Flash的控制和讀寫操作,。FPGA主狀態(tài)機可以在系統(tǒng)時鐘頻率下對controller_4G08發(fā)送指令,然后等待controller_4G08返回的中斷,,中斷返回即表示操作完成,,無需關(guān)心Flash要求的操作時序。采用這個控制器將大大簡化FPGA主狀態(tài)機的狀態(tài)數(shù)量,,方便設計和調(diào)試,,同時代碼具有很強的可移植性。
1 controller_4G08的設計方案
理論上講FPGA可以直接對Flash操作,,但這樣會使主狀態(tài)機狀態(tài)很多,,程序繁瑣,當需要大批量數(shù)據(jù)反復讀寫時很不方便,。本文設計了一個控制器controller_4G08,,用這個控制器完成數(shù)據(jù)指令讀寫的時序操作。
用controller_4G08管理Flash的系統(tǒng)框圖如圖1所示,。FPGA部分有2個模塊:主狀態(tài)機和controller_4G08,,它們之間的端口連接包括4 bit指令端口cmd_code_4G08,、8 bit數(shù)據(jù)輸入輸出端口data_in_4G08與 data_out_4G08、中斷信號int_ctl_4G08,;FPGA對K9F4G08芯片接口包括8 bit雙向數(shù)據(jù)端口data_4G08,、忙標志rb、讀使能we,、寫使能re等端口,。FPGA主狀態(tài)機若想對Flash進行操作,只需要通過cmd_code_4G08向controller_4G08發(fā)指令,,按照系統(tǒng)時鐘通過data_in_4G08與 data_out_4G08收發(fā)數(shù)據(jù),,然后controller_4G08會對K9F4G08執(zhí)行相應的操作,指令執(zhí)行完之后會通過int_ctl_4G08給主狀態(tài)機一個中斷信號,,告訴主狀態(tài)機執(zhí)行完畢,。FPGA主狀態(tài)機不必關(guān)注Flash指令操作的時序問題,從而使設計簡化,。
2 controller_4G08的指令集
K9F4G08具有自己的指令集,,以讀操作為例,其操作過程是:首先發(fā)送命令00h,,再發(fā)5個周期地址,,最后發(fā)送命令30h。Flash開始讀相應的頁,,此時rb信號為低(表示Flash處于busy狀態(tài)),,等到rb信號為高,再按照時序改變讀使能信號,,便可將1個頁的數(shù)據(jù)依次讀出[1],。
controller_4G08根據(jù)K9F4G08的指令集建立了自己的指令集,新增了全擦,、部分擦指令,,并且在讀寫指令前加入了壞塊匹配功能,如表1所示,。
2.1 匹配表
Flash出廠后可能存在壞塊,,使用中也有可能會再出現(xiàn)新的壞塊。制造商保證每個芯片中的壞塊不多于80個,,同時保證第0個塊肯定是好的,,且保證擦寫1 000次不壞[1]。當進行連續(xù)地址的數(shù)據(jù)讀寫時有可能遇到壞塊,,壞塊無法進行操作,,會導致數(shù)據(jù)的丟失。因此必須建立一個匹配表,,當遇到壞塊時,,將其匹配到好塊的地址上,。
實際的數(shù)據(jù)讀寫中只使用4 000個塊,根據(jù)這些要求設計了這樣的匹配表:長度512 B,,存放在第0個塊的第0個頁(B0P0),。具體內(nèi)容見表2。
一個塊的地址用2 B的16進制數(shù)表示,。256 B可以存儲128個塊地址。0~255與256~512中存儲的塊地址是一一對應的,,當使用到0~255中的塊地址時,,需要從256~511中尋找對應的塊地址進行替換。
在FPGA中生成一個512 B的ram:ram_512,,專門用于存放匹配表,,當系統(tǒng)上電復位后,狀態(tài)機會自動將B0P0的數(shù)據(jù)讀出,,并將前512 B的數(shù)據(jù)存入該ram_512中,,以便后面匹配時使用[4]。
2.2 全擦與部分擦指令
該指令用于擦除所有的塊,,建立新的匹配表,。由于壞塊會導致擦除不成功,狀態(tài)機在擦除過程中會記錄下1~4 000個塊中擦除失敗的壞塊的地址,、4 000~4 095個塊中好塊的地址,,先按照匹配表規(guī)定的順序?qū)懭雛am_512,全部擦除完成后將ram_512中的數(shù)據(jù)寫入B0P0,。由于數(shù)據(jù)量不足2 KB,,因此后面補零。其流程圖如圖2所示,。
部分擦除與全擦類似,,執(zhí)行這條指令需要給定起始與結(jié)尾的塊地址,controller_4G08可以完成對2個塊地址之間所有塊的擦除,。當擦除過程中擦到壞塊時,,狀態(tài)機會從匹配表中尋找該壞塊對應的好塊,并擦除,。若沒有尋找到該壞塊的匹配塊,,則出現(xiàn)了新的壞塊,會產(chǎn)生一個報錯的標志位,,提示主狀態(tài)機需要進行全擦,,以便建立新的匹配表。
2.3 讀寫匹配
如果遇到壞塊,,會造成讀寫失敗,,為了滿足大批量數(shù)據(jù)讀寫的連續(xù)性,,在讀寫數(shù)據(jù)之前必須對當前塊地址進行匹配,這些工作由controller_4G08完成,,當主狀態(tài)機給controller_4G08發(fā)送塊地址后就會執(zhí)行,。
Flash讀寫是對頁操作的,一次2 KB,。FPGA中有一個4 KB的ram:ram_4096,,用來作為緩沖區(qū)存放數(shù)據(jù)。當需要向Flash中寫入數(shù)據(jù)時,,主狀態(tài)機向controller_4G08發(fā)Page_program指令,,發(fā)送5 B地址,controller_4G08會自動進行塊地址匹配,,匹配完之后會給主狀態(tài)機一個中斷信號,,主狀態(tài)機收到這個信號便開始將ram_4096中的數(shù)據(jù)發(fā)給controller_4G08,之后等待中斷,,收到中斷說明寫指令執(zhí)行成功,。
當需要讀取數(shù)據(jù)時,主狀態(tài)機向controller_4G08發(fā)Page_read指令,,發(fā)送5字節(jié)地址,,controller_4G08會自動進行塊地址匹配及Flash的頁讀操作,等中斷一到便開始接收來自controller_4G08的數(shù)據(jù)并存至ram_4096中,。
controller_4G08中有一個存放上次塊地址的寄存器,,每次進行讀寫操作時,會將當前塊地址與上次的塊地址進行比較,,若相同則說明是好塊,,可以讀寫;若不同則需要進行匹配,。狀態(tài)機會從ram_512中尋找該塊是否為壞塊,,進行一系列處理。與擦除指令一樣,,當讀寫操作遇到新的壞塊時,,也會向系統(tǒng)報錯。匹配流程圖如圖3所示,。
3 controller_4G08主狀態(tài)機
圖4是主狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,,系統(tǒng)上電復位后,主狀態(tài)機將進入等待使能信號狀態(tài),。收到使能信號后,,主狀態(tài)機會從cmd_code_4G08中讀取操作碼,然后啟動對應的子狀態(tài)機,執(zhí)行對應的操作,。子狀態(tài)機執(zhí)行完畢以后就會通過int_ctl_4G08發(fā)送給主狀態(tài)機一個中斷信號,,同時將執(zhí)行結(jié)果返回。主狀態(tài)機收到中斷信號后,,又進入空閑狀態(tài)等待下一個使能信號,。這樣設計的主狀態(tài)機隨時都可以添加新的指令,可擴展性強[4-5],。
4 FPGA下裝驗證結(jié)果
采用FPGA開發(fā)板進行驗證,。此開發(fā)板的硬件資源包括Cyclone的FPGA:EP1C12Q240C、3片F(xiàn)lash:K9F4G08,、1片USB總線控制芯片:CH372,。利用FPGA控制CH372,可以完成FPGA與PC通過USB進行數(shù)據(jù)收發(fā)[6],。
在PC上用VB軟件編寫了調(diào)試軟件[7],,利用該軟件可以通過USB口向FPGA發(fā)送指令,,從而完成對任意Flash頁的讀,、寫及全擦。
首先進行Flash全擦,,讀取B0P0即可看到匹配表,。從匹配表中找到一個壞塊的地址對其寫入2 KB的數(shù)據(jù),然后斷電再上電,,讀取該壞塊地址,,比較寫入與讀出的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)完全一致,從而驗證了本設計的壞塊管理和壞塊匹配方法的正確性,。通過軟件操作,,對普通好塊的讀寫也是正確的,這里就不再說明了,。
本文用FPGA主狀態(tài)機直接管理controller_4G08,、controller_4G08控制芯片的設計方案可以減少主狀態(tài)機的狀態(tài)數(shù)量,使FPGA很方便地實現(xiàn)Flash控制功能,,設計更加容易實現(xiàn),,具有較強的可復用性與移植性。同時建立了一套完善的Flash文件管理機制,。目前該控制器模塊已經(jīng)應用于數(shù)據(jù)采集回放系統(tǒng)中[8-9],。
參考文獻
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