一种在片上系统中实现Nand Flash控制器的方法

    摘要:Nand Flash以其优越的特性和更高的性价比,在现代数码产品中得到了广泛的应用。在片上系统芯片中集成Nand Flash控制器成为一种趋势。本文提出了在一款基于ARM7TDMI CPU CORE的片上系统( SoC)芯片中的Nand Flash控制器实现方案。通过直接内存存取(DMA)的数据传输方式,使Nand Flash的数据传输速率得到了一定提高,满足了实际应用的设计要求。该设计方法已通过了RTL级验证、FGPA验证,并在实际芯片的演示样机上得到了具体实现。

关键词:片上系统;Nand Flash;直接内存存取

1　引　言

    Flash因为具有非易失性及可擦除性在数码相机、手机、个人数字助理( PDA)、掌上电脑、MP3播放器等手持设备中得到广泛的应用。自1989年东芝公司发表了Nand Flash结构以来, Nand Flash以其相对于Nor Flash具有更小的体积,更快的写入和擦除速度,更多次的可擦除次数,以及更低廉的每bit价格得到了迅速发展。大容量的Nand Flash特别适合现在数码设备中大数据量的存储携带,可以降低成本,提高性能。

ARM7TDMI是世界上广泛使用的32位嵌入式RISC低端处理器内核,在基于ARM7TDMI内核的SoC( System on Chip )芯片中集成Nand Flash控制器将大大扩宽芯片应用范围、降低芯片成本、提升产品性能。但是,Nand型闪存的使用相对于Nor型闪存在硬件设计和软件控制上都有相当的难度,值得在技术上进一步探索和研究。

2　Nand Flash的结构特点对其读写的限制

   笔者选用的Nand Flash是东芝TC58512FT(见图1) ,该款的Nand Flash 以528个byte 组成一个页(page) , 32个页组成一个块( block) ,由4096个块组成整个Flash存储器。在每页中前512bytes是用于存储数据,而后16bytes则用于存放ECC数据校验码,称为OOB(Out of Bank)区。对Nand Flash读出和写入是以页为单位,而对其擦除则是以块为单位,在存储组织上和硬盘采用的方式类似。在读出和写入时数据量都必须是页大小的整数倍,这一点上和NorFlash可以随机读写的方式完全不同,但对于大数据量的读写而言这正是Nand Flash其优点的体现。

   基于Nand Flash特殊的组织结构,在设计时考虑了一种适合其读写按单位大小特点的传输方式,即利用DMA(DirectMemory Access)方式,每次读写配置DMA通道,使传输一整页的数据量。在传输过程中, DMA 模块占用总线,传输完成后,释放总线。因为DMA地数据传输效率要高于CPU CORE通过直接向Flash发送指令然后读写Nand Flash I/O口数据,所以这样的设计有利于提高读写速度,从而提高Nand Flash控制器性能。

图1　TC58512FT 512M-bit   Nand Fla sh组织结构图

3　Nand Flash控制器的结构和工作流程

  如图2所示,Nand Flash控制器和DMA控制器(DMAC) 都是AMBA (ARM 总线标准) 高速总线AHB上的master模块,都包含符合AMBA标准的总线接口模块与之交互工作。

图2　Nand Flash控制器和DMA模块组织结构图

Nand Flash控制器包含总线接口模块,控制状态机转换的状态控制模块,用以缓冲数据、收发命令和状态字的寄存器组,提供ECC校验纠错码的ECC算法编程/解码器模块和直接控制“裸”Nand Flash体的接口模块。

   总线接口模块负责接受ARM CORE(CPU核)发送的指令,将收发数据送至相应数据寄存器和指令寄存器,并将状态寄存器内容返回给CORE。寄存器组负责整个Flash控制器的控制工作,包含指令、状态、数据、错误地址寄存器等等,是控制器的核心。ECC算法编程/解码器模块提供校验功能,提供纠错信息。

   状态控制模块提供包括命令字发送状态组、地址发送状态组、读状态组、写状态组共21种Nand Flash状态的翻转,用以发出对Nand flash读写控制信号。与Nand Flash直接连接的接口模块提供Nand Flash体工作电压、使能和动作时所需的相应的电平状态,例如图3所示读时序要求。该模块受到状态机控制模块的控制。该控制器对电平的控制 简化了软件工作,驱动软件不必再按照读写时序配置繁琐的控制电平。

图3　Nand Flash读时序图
　
以从Nand Flash中读取一页数据块到内存首地址0x30000000为例,分析该控制器的工作过程。首先,由ARM CORE发出配置DMA某一通道的指令,配置DMA源地址寄存器为Nand Flash数据寄存器地址,目标地址寄存器为0x30000000,配置DMA _Control、DMA _ Config 寄存器, 设定DMA传输的Burst传输大小、数据宽度、总数据量(应为页大小512bytes)等等并使能该通道,等待其他master模块发送的请求信号;其次,配置Nand Flash控制器的地址寄存器(指定从Flash 中哪一页读取数据) 和Nand _ Config 寄存器; 最后, 发送读命令字0x80000000,向DMAC发出传输请求信号。一旦请求被接受,DMAC占用AHB总线,开始高速块传输。

Nand Flash控制器不断从Nand Flash体中通过8位I/O口分4次读取32位数据放置到Flash数据寄存器中,DMA从该数据寄存器中读取数据到DMA数据缓冲fifo中。当fifo内数据量达到设定的Burst大小时,运送至指定内存地址, DMA数据计数器减1,然后继续从Nand Flash数据寄存器中读取数据,填充DMA数据缓冲区,直至计数器至0,即完成预先设定搬运数量, DMA释放总线,这样就完成一页数据的读取工作。如果继续读,则需要由CORE重新发起命令,配置DMA和Nand Flash各寄存器。当然,DMAC和Nand Flash必须用同一个HCLK进行同步,保持模块间动作的一致。而向Nand Flash中写数据,控制过程大致相同,数据流方向相反。

相比与直接由CORE 发送命令字给NandFlash,然后直接从I/O 口读写数据的工作方式而言,通过DMA方式的传输,效率明显要高。特别在连续读取大批量数据的情况下,这种工作方式优点能更好的体现。在实际产品应用中(如数码照片的存取) ,读写数据量一般都是页大小的上千倍,所以这样的设计有助于提高实用性。出于SOC芯片面积和功耗的考虑,简化了通用控制器的一些功能,如识别芯片型号。因为在具体应用时,具体的NandFlash型号是确定的,只需在驱动开发时跳过这一步,直接填上具体已知的信息即可。

4　模块验证和应用开发

4. 1　模块验证
该模块已经先后通过了带有ARM7TDMI CORE的SUN服务器上进行寄存器级(RTL)仿真、后仿真验证和在ARM FPGA开发板上的验证,并在实际芯片演示样机上得到了具体的应用验证。编写测试向量( Testbench)在SUN服务器上进行VCS验证,截图见图4。图中信号内容为系统总线信号。

图4　SUNSERVER Nand Fla sh控制器RTL信号仿真时序图
　　
在ARM FPGA开发板上,使用ADS开发套件和ARM Multi - ICE进行验证程序的屏幕截图见图5。

图5　ARM ADS开发系统界面
　　
内存区内显示的是用C语言编写的测试程序。一般过程是先擦除Flash某块地址的数据,然后向该地址写入一定量数据,再将其读出,在内存区就可以看到开发板上SDRAM或者SRAM的内容,该内容应该和写入的数据完全一致,如果一致则读写都成功。ADS开发套件的使用在此就不展开描述。

4. 2　关于bootloader和从Nand Flash启动系统
由于Nand Flash生产厂家保证第一个block是available block (可用块) ,可以把启动代码( bootloader)放置在Flash的第一个page内,以实现从NandFlash启动系统。设置外部跳线,选择系统从Nand Flash启动方式。当带有芯片的系统板上电启动时, DMAC默认占用系统总线,自动从Nand Flash的第一个page搬运数据(即事先烧入的bootloader程序)到芯片片内的ESRAM,并从ESRAM开始顺序执行bootloader语句。
该段代码用汇编语言编写,完成的主要工作是:
(1) 片外存储控制器( EMI)的初始化,使内存可读写;
(2) 搬运存储在Nand Flash中的操作系统Kernel代码到较大容量的内存(一般是SDRAM) ,然后设置remap寄存器,使Kernel所在内存地址指向零,以满足中断向量表必须从零地址开始存放的要求;
(3) 最后设置程序计数器( PC)到零,从Kernel代码开始运行,真正的开始启动操作系统。
上述应用在实际芯片的演示样机中已经得到具体的实现,达到了预期的设计目的。

5　结束语

本文提出了在一款片上系统( SoC)芯片设计中的Nand Flash控制器实现方案,并介绍了验证过程和应用。该设计方案已在成品芯片的演示样机的应用中得到证实,具有相当的应用价值,达到了预期设计效果。