大容量NAND FLASH在ARM嵌入式系统中的设计与实现

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1 引 言

随着嵌人式系统在数码相机、数字摄像机、移动电话、mp3音乐播放器等移动设备中越来越广泛的应用,FLASH存储器已经逐步取代其他半导体存储元件,成为嵌入式系统中主要数据和程序载体。FLASH存储器又称闪存,是一种可在线多次擦除的非易失性存储器,即掉电后数据不会丢失。FLASH存储器还具有体积小、功耗低、抗振性强等优点,是嵌入式系统的首选存储设备。

NAND和NOR FLASH是现在市场上两种主要的非易失闪存芯片,这两种类型的FLASH区别在于:

NOR类型FLASH可以按照字节访问,所以存放在FLASH里的程序可以直接执行,而NAND类型FLASH是串行访问的,需要先把程序读取到内存然后再从内存中运行。与NOR型相比,NAND型闪存的优点是容量大,但是NAND型的速度比较慢,因为他的I/O 端口只有8(或16)个,要完成地址和数据的传输就必需让这些信号轮流传送。NAND型FLASH具有极高的单元密度,容量可以比较大,价格相对便宜。本文采用Samsung公司的NAND型FLASH存储设备K9F2808U0C。

2 系统硬件结构及接口电路

2.1 ARM芯片介绍

ARM公司自1990年正式成立以来,在32位RISC(Reduced Instruction Set Computer)CPU开发领域不断取得突破,目前已经占有75%以上的32位RISC嵌入式产品市场。在低功耗、低成本的嵌人式应用领域确立了市场领导地位。

PHILIPS公司的LPC2210是基于一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器,片内128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟频率下运行。LPC2210极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC以及9个外部中断使其特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和POS机。由于内置了宽范围的串行通信接口,他们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软MODEM以及其他各种类型的应用。

2.2 K9F2808U0C芯片的结构和特点

K9F2808U0C是Samsung公司生产的NAND型FLASH存储器,其功能框图如图1所示。

K9F2808U0C存储容量为132 Mb,其中主数据区为128 Mb,辅助数据区为4 Mb,工作电压为2.7~3.6 V,I/O端口宽度为8 b。片内写控制自动实现编程和擦除所有功能,包括内部校验、脉冲的周期和数据冗余。

芯片的存储空间是按照块和页的概念来组织的,一个芯片分为1 024个块,每个块有32页,每一页有528 B。528 B中分为512 B的数据区和16个字节的空闲区,空闲区用于存放ECC代码、坏块信息和文件系统相关代码。一个528 B的数据寄存器作为数据缓冲单元,用来实现I/0缓冲和存储器之间的数据传输。芯片的存储阵列组织如图2所示。

使用NAND型FLASH的关键技术之一是存储空间的管理。Samsung公司的NAND FLASH存储器有一些初始无效块(包含一个或多个坏位的存储块),制造商不保证这些块的可靠性。NAND FLASH容许成品中有坏块存在,这是采用NAND技术所特有的现象。坏块的存在并不影响有效块的性能。但是,系统级的设计必须能够用地址映射把这些坏块屏蔽掉。芯片在出厂时,除保存坏块信息的区域外,其他部分一律被擦除(值为0xFF),对坏块的读操作是允许的,但不推荐进行写和擦除操作,以免由于结构方面的原因使邻近的块也失效。系统设计时必须根据初始的坏块信息识别出坏块,并建立坏块列表。进行写或擦除操作时将欲操作块的地址与坏块地址表的地址相比较,若是坏块则应跳过。为了提高存储空间的效率,单个位数据错误引起的读写失败都可以用ECC(校错和纠错)方法处理。

芯片在使用过程中,可能有新坏块的产生,为了系统的可靠性,必须对此情况加以考虑。在数据写入或块擦除操作后,如果读状态寄存器出现错误,则表示块内有坏页存在,也即表明此块已坏,因为块内坏页的存在并不影响其他页的读写,这时可采用块替换操作来把页内有用数据转移到其他空闲块内,并把坏块信息存入坏块表中。

2.3 K9F2808U0C与LPC2210的连接

K9F2808U0C与LPC2210的连接如图3所示,使用8位数据总线D0~D7与K9F2808U0C的I/O0~I/O7引脚相连,使用数据总线来发送地址、数据和命令。K9F2808U0C的片选信号由CS3控制,即使用LPC2210的外部存储器接口的Bank3地址空间,而CLE,ALE信号分别由A0,A1控制,所以K9F2808U0C的操作地址如下:

3 读写操作流程

K9F2808U0C的页编程操作流程图如图4所示。

首先向I/O写人编程指令80H,然后使用3个时钟周期写入目的地址(A0~A23),接着向I/O写入数据。数据发送完成后,写入指令10H启动页编程,此时芯片内部的逻辑电路将进行页擦除和数据编程操作。微控制器可以读状态指令70H来读取状态寄存器的值,若D6位为1,则表明写操作完成。

写操作完成后,通过读取状态寄存器的D0位判断编程是否成功,若D0位为0,则表示编程成功;否则表示编程失败。

K9F2808U0C的块擦除和读数据操作如图5所示:对于K9F2808U0C的擦除是以块为单位,擦除时首先写入块擦除命令60H,然后输入要擦除块的地址,再写入指令DoH启动块擦除。微控制器可以读取状态指令70H来读取状态寄存器的值,若D6位为1,则表明擦除完成。写操作完成后,通过读取状态寄存器的D0位来判断擦除是否成功。

对于K9F2808U0C的读数据操作是以页为单位,读数据时首先写入读数据命令00H,然后输入要读取页的地址,接着从数据寄存器中读取数据,最后进行ECC校验。

4 在μC/OS实时操作系统下的实现和性能验证

μC/OS是一个多任务的实时操作系统,专为嵌入式应用而设计,可用于各类8位、16位和32位单片机或DSP,已有10余年应用史,其安全性和实时性得到了广泛的认同,在嵌入式领域发挥着重要作用。该操作系统公开了他的实时性内核源码,同时提供了较多的应用接口函数。通过在其实时内核的基础上做少量的修改,便可将对NAND FLASH的操作移植到μC/OS中,利用OSTa-skCreateExt()函数创建任务并检查堆栈空间,利用PC-ElapsedInit()初始化时间测量功能。共建立5个任务,分别为空闲任务、统计任务、页编程任务、块擦除任务和读数据任务,程序代码示意如下:

5 结 语

以Samsung NAND FLASH器件K9F2808U0C为例,通过PHILIPS LPC2210实现对存储器的器件操作,以μC/OS实时操作系统为平台完成测试实验,将得到的实验结果与Satnsung公司的K9F2808UOC FLASH Memory手册进行对比,表明该设计满足设计要求,达到预期目标。