0 引 言

目前,，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,，計(jì)算機(jī)技術(shù)也得到飛速的發(fā)展，產(chǎn)生了很多新技術(shù),。但就計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),，還是基本采用了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。然而馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的一個(gè)中心點(diǎn)就是存儲(chǔ)一控制,，所以存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用是非常重要的,。

嵌入式計(jì)算機(jī)作為計(jì)算機(jī)中的一個(gè)類別，對(duì)執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性都有較強(qiáng)的要求,，這也決定了嵌入式系統(tǒng)不僅要有實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的操作系統(tǒng),，同時(shí)也需要一種安全、快速的存儲(chǔ)設(shè)備,。同時(shí),，嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)涉及到海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，這就要求存儲(chǔ)設(shè)備必須具有可靠性高,，功耗低,，容量大，掉電數(shù)據(jù)不丟失等特點(diǎn),，而NAND FLASH" title="NAND FLASH">NAND FLASH芯片正好具有這些優(yōu)點(diǎn),。

VxWorks" title="VxWorks">VxWorks是嵌入式領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的最有特色的高性能實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之一。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性,，被廣泛地應(yīng)用在通信,、軍事、航空,、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中,，如衛(wèi)星通信、軍事演習(xí),、彈道制導(dǎo),、飛機(jī)導(dǎo)航等,。

目前，在VxWorks實(shí)現(xiàn)上,，涉及文件系統(tǒng)的文章不少,，但一般都是針對(duì)容量較小，操作相對(duì)簡(jiǎn)單的NORFLASH實(shí)現(xiàn)的,。本文討論了如何在以AMCC公司的Power PC芯片PPC440epx為核心的嵌入式平臺(tái)上,，利用三星公司的大容量NAND FLASH實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)的具體辦法。

1 三星NAND FLASH芯片K9F2G08QOM

K9F2G08QOM芯片的容量為256 M×8 b=2 Gb的數(shù)據(jù)區(qū),，再加上64 Mb的備用區(qū),。一塊這種芯片被分為2 048個(gè)塊，每個(gè)塊又分為64頁(yè),，每頁(yè)由2 KB的數(shù)據(jù)區(qū)加上64 B的備用區(qū)組成,。如圖1所示，列地址為12 b(A11～A0),。當(dāng)A12為0時(shí),，A10～A0確定對(duì)每頁(yè)中2 KP；數(shù)據(jù)的訪問(wèn),；當(dāng)A12為1時(shí),，訪問(wèn)的是64 B的備用區(qū)。由于NANDFLASH芯片在出廠時(shí)就可能出現(xiàn)壞塊(塊中的某個(gè)或多個(gè)bit不能有效的進(jìn)行讀寫),，為了將其標(biāo)注出來(lái),，三星公司保證每個(gè)壞塊的第一頁(yè)和第二頁(yè)備用區(qū)第一個(gè)byte的數(shù)據(jù)沒(méi)有被初始化為0xFF。設(shè)計(jì)人員要確保在對(duì)該芯片進(jìn)行擦除之前,，先將這個(gè)信息保留起來(lái)(建一個(gè)壞塊表),。行地址為17 b(A28～A12)。它確定了對(duì)2 048塊×64頁(yè)=128 K個(gè)頁(yè)中的某一頁(yè)進(jìn)行訪問(wèn),。為了簡(jiǎn)化NAND FLASH芯片的管腳,，其地址和數(shù)據(jù)信息共享8個(gè)I／O管腳，因此,，其29 B的地址信息被設(shè)計(jì)為5個(gè)周期進(jìn)行傳輸,。具體操作如表1所示。
 

注：起始地址是列地址,；L表示必須置為低電平

對(duì)NAND FLASH的操作流程比較簡(jiǎn)單,，即在第一個(gè)周期里送操作相關(guān)的命令字，然后送地址,，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù),，最后送確認(rèn)字。需要說(shuō)明的是,，由于地址,、命令和數(shù)據(jù)都共用8個(gè)I／O管腳來(lái)進(jìn)行傳輸,，因此在硬件上必須要有專用的管腳來(lái)區(qū)分傳輸類型(在傳輸命令的時(shí)候,，命令鎖存使能信號(hào)CLE有效,；在傳輸?shù)刂返臅r(shí)候，地址鎖存使能信號(hào)ALE有效),。具體的命令字,、時(shí)序和操作流程在K9F2G08Q0M的數(shù)據(jù)手冊(cè)上有較詳細(xì)的描述，在此不一一詳述,。

2 PPC440epx的NAND FLASH接口

AMCC公司的PPC440epx芯片是一款性能指標(biāo)較高的嵌入式CPU芯片,，其主頻可以達(dá)到667 MHz，擁有DDR2接口,，可支持千兆以太網(wǎng),，USB 2．0接口，支持浮點(diǎn)運(yùn)算,，同時(shí)還支持NAND FLASH芯片,。

PPC440epx使用一個(gè)NAND FLASH Controller作為外部NAND FLASH與其外部總線通信的接口電路，該控制器最多可以支持4個(gè)NAND FLASH芯片,，每個(gè)芯片的容量可以為4～256 MB,，每頁(yè)的大小可以為512 B+16 B或者2 KB+64 B。NDFC(NANDFLASH Controller)的存在使得對(duì)NAND FLASH的操作變的非常簡(jiǎn)單,。根據(jù)前面對(duì)K9F2G08Q0M的介紹可知,，對(duì)NAND FLASH的操作需要在硬件上產(chǎn)生ALE，CLE信號(hào)來(lái)區(qū)分傳輸類型,。NDFC給程序設(shè)計(jì)人員提供兩種實(shí)現(xiàn)時(shí)序的方法：硬件實(shí)現(xiàn),，軟件實(shí)現(xiàn)。如果是前者,， NDFC提供了幾個(gè)寄存器：命令寄存器,、地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器,、配置寄存器和狀態(tài)寄存器,。通過(guò)對(duì)這幾個(gè)寄存器執(zhí)行相應(yīng)的讀／寫操作就可以產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序。例如,，如果需要對(duì)NAND FLASH寫命令字80H,，則只需將80H寫人命令寄存器即可。NDFC自動(dòng)將80H送到I／O7～I(xiàn)／O0上,，同時(shí)置CLE為有效狀態(tài),。而軟件實(shí)現(xiàn)方法是根據(jù)K9F2G08Q0M的時(shí)序要求，通過(guò)對(duì)硬件控制寄存器中相應(yīng)的bit寫1或者0,，使得對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)為高電平或者低電平,。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)自己的情況,，選擇實(shí)現(xiàn)方法。這里推薦采用硬件實(shí)現(xiàn)的方法,。不過(guò),，在有問(wèn)題時(shí)，可采用軟件實(shí)現(xiàn)的方法來(lái)進(jìn)行調(diào)試,。

3 TrueFFS簡(jiǎn)介

TureFFS(Ture Flash File System)是M-Systems公司為VxWorks操作系統(tǒng)定制的實(shí)現(xiàn)FLASH塊設(shè)備的接口,。通過(guò)使用TFFS，應(yīng)用程序?qū)LASH的讀寫就像對(duì)擁有MS-DOS文件系統(tǒng)的磁盤設(shè)備操作一樣,。對(duì)于上層設(shè)計(jì)人員,，TFFS屏蔽了底層多種多樣FLASH設(shè)備的具體細(xì)節(jié)。同時(shí),，由于FLASH存儲(chǔ)芯片自身的一些特性(如擦除,、編程次數(shù)有限并且操作時(shí)間較長(zhǎng)；容易進(jìn)入過(guò)度編程狀態(tài)等),，TFFS采用虛擬塊,、損耗均衡、碎片回收,、錯(cuò)誤恢復(fù)等機(jī)制來(lái)提高 FLASH的使用壽命,，確保數(shù)據(jù)完整，優(yōu)化性能,。

4 TrueFFS的實(shí)現(xiàn)

4．1 TrueFFS的基本結(jié)構(gòu)

TrueFFS由1個(gè)核心層和3個(gè)功能層組成,，它們是翻譯層(Translation Layer)、MTD(Memory Tech-nology Drivers Layer)層和Socket層,，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。
 

交互功能。它包含了控制FLASH映射到塊,、wear-lev-eling,、碎片回收和數(shù)據(jù)完整性所需的智能化處理功能。目前,，有三種不同的翻譯層模塊可供選擇,。選擇哪一種層需要看所用的FLASH介質(zhì)是采用NOR-based，還是NAND-based,，或者SSFDC-based技術(shù)而定,。

(2)MTD(Memory Technology Driver)層實(shí)現(xiàn)具體的FLASH芯片底層程序設(shè)計(jì)，包括讀,、寫,、擦、ID識(shí)別、映射等功能,，以及一些與FLASH芯片相關(guān)的參數(shù)設(shè)置,。

(3)Socket層提供了TrueFFS和硬件之間的接口服務(wù)，負(fù)責(zé)電源管理,、檢測(cè)設(shè)備插拔,、硬件寫保護(hù)、窗口管理和向系統(tǒng)注冊(cè)Socket等,；

(4)核心層將其他3層有機(jī)結(jié)合起來(lái),，另外還處理全局問(wèn)題,，如信號(hào)量,、碎片回收、計(jì)時(shí)器和其他系統(tǒng)資源等,。
在VxWorks中,，由于翻譯層和核心層以二進(jìn)制形式提供給設(shè)計(jì)人員的，因此實(shí)現(xiàn)TFFS的主要工作集中在對(duì)MTD層和Socket層的設(shè)計(jì)上,。

4．2 Socket層的實(shí)現(xiàn)

如果VxWorks中包含TFFS,，在系統(tǒng)啟動(dòng)后，先完成內(nèi)核的初始化,，之后開(kāi)始進(jìn)行I/O的初始化操作,。系統(tǒng)調(diào)用UsrRoot()函數(shù)，該函數(shù)再調(diào)用 tffsDrv()函數(shù),，這樣就產(chǎn)生如圖3所示的調(diào)用流程,。調(diào)用這些函數(shù)的目的之一就是注冊(cè)socket驅(qū)動(dòng)函數(shù)。最后的注冊(cè)操作都是由 xxxRegister()函數(shù)完成(這個(gè)函數(shù)和sysTff-sInit()函數(shù)的定義都在sysTffs．c中)的,。該函數(shù)是通過(guò)更新 FLSocket結(jié)構(gòu)體來(lái)完成注冊(cè)操作的,。該結(jié)構(gòu)體的定義以及相關(guān)細(xì)節(jié)可以通過(guò)閱讀VxWorks的幫助文件獲得，在此不詳述,。
 

sysTffs．C文件的編寫,，可以參考其他的BSP來(lái)完成。config目錄下的任何一個(gè)BSP都有該文件,，設(shè)計(jì)人員可以復(fù)制其中一個(gè)到自己的BSP目錄下,。例如：復(fù)制wrPpmc440gp目錄下的sysTffs．c文件，再根據(jù)自己的硬件電路修改FLASH BASE ADRS以及FLASHSIZE的宏定義,，同時(shí)添加宏定義：#define INCLUDE_MTD_NAND,。其他地方一般不需要改動(dòng)。

4．3 MTD層驅(qū)動(dòng)程序" title="驅(qū)動(dòng)程序">驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)

要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)TFFS塊設(shè)備,，首先應(yīng)該調(diào)用函數(shù)tffsDevCreate(),，這樣就產(chǎn)生了如圖4所示的一系列的調(diào)用函數(shù)。系統(tǒng)通過(guò)這一系列的調(diào)用函數(shù)來(lái)確認(rèn)具體的MTD層程序,。確認(rèn)過(guò)程在flIdentifyFlash()函數(shù)中完成,。flIdentifyFlash()通過(guò)逐個(gè)執(zhí)行 xxxIdentify()表中的程序來(lái)確定合適的MTD,。如果系統(tǒng)只有一種FLASH，則只需寫一個(gè)Identify()函數(shù)可,。與Socket層類似,，MTD層的核心工作也是針對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(FLFLASH)而進(jìn)行的初始化操作。通過(guò)初始化操作來(lái)注冊(cè)FLASH芯片的處理函數(shù),，具體的實(shí)現(xiàn)是在函數(shù) xxxldentify()中完成的,。

根據(jù)前面的介紹知道，MTD層的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)FLASH芯片的讀,、寫,、擦、ID識(shí)別,、映射等操作,。而對(duì)不同F(xiàn)LASH芯片的相應(yīng)操作是有一定差別的，所以使用不同的FLASH芯片時(shí),，MTD層的程序設(shè)計(jì)也是不一樣的,。開(kāi)發(fā)人員的工作是根據(jù)系統(tǒng)使用的具體FLASH芯片來(lái)完成相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)。
 

Tornado提供了幾種FLASH的TrueFFS MTD層驅(qū)動(dòng)的參考設(shè)計(jì),。在installDir＼target＼src＼drv＼tffs中,，主要包括Intel，AMD等公司的幾種FLASH的 TrueFFS MTD層驅(qū)動(dòng),。雖然沒(méi)有需要的K9F2G08驅(qū)動(dòng)程序,，但可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)自己的MTD程序。具體做法是在BSP目錄下建立一個(gè)MTD層驅(qū)動(dòng)文件,，將其取名為K9F2G08Mtd．C,。在該文件中首先編寫函數(shù)nandMTDIdentify()，如下所示為程序片段：
 

完成上述代碼后,，剩下的工作就是完成在函數(shù)nandMTDIdentify()中引用的readFlashID(),，nand-MTDRead()。

nandMTDWrite(),，nandMTDErase(),，nandMTDMap()這幾個(gè)函數(shù)的代碼編寫。由于不同的FLASH芯片,，時(shí)序不同,，因此這幾個(gè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)也不同。必須根據(jù)芯片K9F2G08的數(shù)據(jù)手冊(cè)上時(shí)序的要求,，對(duì)PPC440epx的相應(yīng)寄存器進(jìn)行讀／寫操作,，以完成這些功能。由于篇幅原因，這幾個(gè)函數(shù)的具體代碼就不再贅述,。建議在Boot Loader工作正常后,，先在應(yīng)用程序中對(duì)這些函數(shù)進(jìn)行調(diào)試。這樣就可以利用單步和斷點(diǎn)等工具進(jìn)行調(diào)試,，并且在修改后可立即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載程序,。

4．4 TrueFFS的配置

在完成上述代碼的編寫后，還要做如下工作：在配置文件config．h中增加定義INCLUDE_TFFS和IN-CLUDE_DOSFS,，使得 TrueFFS組件和DOS文件系統(tǒng)被包含進(jìn)來(lái),。并且要在MakeFile文件MACH_EXTRA一項(xiàng)中添加K9F2G08Mtd．o，這樣可將 TureFFS文件驅(qū)動(dòng)程序加入系統(tǒng),。另外,，還要在tffsConfig．c文件中的mtdTable[]表中添加上述的函數(shù)nandMTDI- dentify。

5 結(jié) 語(yǔ)

在此介紹如何在由AMCC公司的CPU芯片PPC440epx,、三星公司的NAND FLASH構(gòu)成的硬件平臺(tái)上和VxWorks軟件平臺(tái)上,，實(shí)現(xiàn)TrueFFS,。按照上述設(shè)計(jì)流程,，實(shí)現(xiàn)了NAND FLASH的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。能夠?qū)9F2G08進(jìn)行正常的讀,、寫,、擦、ID識(shí)別,、映射等操作,。同時(shí)，在VxWorks操作系統(tǒng)上,，實(shí)現(xiàn)了 TrueFFS,。這樣就提高FLASH使用壽命，確保數(shù)據(jù)完整,，優(yōu)化了FLAsH的性能,。以此為基礎(chǔ)的系統(tǒng)在某機(jī)載設(shè)備上得到成功運(yùn)用。