基于FPGA的NAND FLASH控制器的設(shè)計(jì)

李槐生

（太原理工大學(xué)信息學(xué)院，山西 太原 030024）

隨著科技的進(jìn)步，電子產(chǎn)品已經(jīng)以各種各樣的形式進(jìn)入到了千家萬戶。如人們每天接觸的MP3、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備等電子產(chǎn)品。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是電子設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一。而目前應(yīng)用最為廣泛的存儲(chǔ)介質(zhì)就是NAND FLASH，它具有存儲(chǔ)容量大、價(jià)格低廉、速度快等優(yōu)點(diǎn)。對NAND FLASH的控制可以直接使用專用的控制芯片，這種方法比較簡單，但是性價(jià)比較低，該芯片的部分功能得不到使用，造成浪費(fèi)，兼容性較差。目前隨著FPGA(即現(xiàn)場可編程邏輯門陣列)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的工程師選擇自己開發(fā)專用集成芯片。這種方法可以根據(jù)用戶特有的需求來量身打造，且IP核可以與其它系統(tǒng)很好地集成互聯(lián)，兼容性好。本設(shè)計(jì)就是用FPGA來實(shí)現(xiàn)了NAND FLASH的控制器，并通過測試驗(yàn)證了該IP核。

1 NAND FLASH控制器實(shí)現(xiàn)

本控制器所實(shí)現(xiàn)的是對NAND FLASH的讀、寫、擦除以及壞塊處理等操作，其中利用FPGA內(nèi)部RAM資源設(shè)計(jì)出32 K緩存，用來暫存FLASH中的數(shù)據(jù)，并留下控制端口，與MCU系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，使得MCU等對NAND FLASH進(jìn)行操作時(shí)不需要考慮具體的控制時(shí)序以及壞塊等問題，只需關(guān)注存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及存儲(chǔ)位置即可，使得MCU代碼開發(fā)者不需要過多地考慮物理底層的設(shè)計(jì)，簡化開發(fā)難度?？刂破骰炯軜?gòu)框見圖1。

圖1 NAND FLASH控制器

本設(shè)計(jì)選用的NAND FLASH為三星公司的K9F5608U0B，其容量為32 M×8 Bit。它有2 048個(gè)塊，每塊32頁，每頁有528個(gè)字節(jié)，其中每頁的最后16個(gè)字節(jié)用來存儲(chǔ)ECC校驗(yàn)碼。FPGA選用的是Xilinx公司所生產(chǎn)的XC3S1000-4-FT256C。

1.1 FLASH控制模塊

該模塊作為整個(gè)控制器的核心模塊，起到了協(xié)調(diào)各個(gè)子模塊運(yùn)行以及實(shí)現(xiàn)與MCU通信的作用。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）首先接收到MCU發(fā)送過來的讀寫命令以及起始地址和數(shù)據(jù)總數(shù)。

（2）根據(jù)接收到的上述數(shù)據(jù)，該模塊計(jì)算出起始塊地址、起始頁地址、終止塊地址、終止頁地址以及總共塊數(shù)、總共頁數(shù)。

（3）如果從MCU讀命令，則用one page read命令來啟動(dòng)FLASH讀模塊，按頁連續(xù)讀取。

（4）如果從MCU寫命令，啟動(dòng)FLASH寫模塊，并進(jìn)行如下操作：①首先將起始塊中未涉及到的頁的內(nèi)容用Sequential Row Read命令讀取出來，并放入緩沖中；②對終止塊中未涉及到的頁進(jìn)行上述處理；③對所涉及到的塊，用erase命令全部擦除；④將緩沖的數(shù)據(jù)再放回到FLASH中原先的位置中；⑤開始從MCU接收數(shù)據(jù)，并用write命令，一頁一頁地寫進(jìn)FLASH中；⑥在寫完之后，啟動(dòng)壞塊處理模塊，對所涉及的塊進(jìn)行掃描，確定壞塊。

1.2 FLASH讀模塊

K9F5608U0B的讀命令種類比較多，有READ1與READ2兩種。Read2命令讀取的是spare area，即存放ECC校驗(yàn)位的區(qū)域；Read1又可分為Read one page與Sequential Row Read1 Operation兩種操作。Read one page即一次只能讀一頁，而Sequential Row Read1 Operation則可以連續(xù)讀取多頁。連續(xù)讀取的范圍僅限于本塊當(dāng)中，即如果控制器不發(fā)送停止該讀命令的信號(hào)，則在讀完本塊的最后一頁后Flash會(huì)自動(dòng)停止讀取。當(dāng)然，大部分的命令識(shí)別工作已經(jīng)由FLASH控制模塊實(shí)現(xiàn)了。讀操作模塊中所寫的狀態(tài)機(jī)部分代碼如下：

process(cu_st,read,r_b,counter_we,counter_re_cyc,counter_re)begin

case cu_st is

when por=>

when wait_cmd=>

when cmd_adr_input=>

when wait_busy=>

when wait_ready=>

when read_process=>

end case;

end process;

該狀態(tài)機(jī)與控制模塊配合便可實(shí)現(xiàn)FLASH讀命令的各種時(shí)序。

圖2 寫模塊流程圖

1.3 FLASH寫模塊

從控制模塊接收到啟動(dòng)命令，在接收了要寫入的地址以及數(shù)據(jù)之后，開始啟動(dòng)狀態(tài)機(jī)。寫命令之前要進(jìn)行塊擦除，這個(gè)是由控制模塊來協(xié)調(diào)的。流程見圖2。首先寫入write命令（80 H），之后輸入地址，由于地址有3個(gè)字節(jié)，所以需要在3個(gè)WE周期將地址輸入。首先輸入列地址，之后兩個(gè)字節(jié)為行地址（即頁地址）。將ALE地址鎖存信號(hào)拉低，依次輸入一頁的數(shù)據(jù)。輸入program command（80 h），F(xiàn)LASH將R/B信號(hào)拉低，并開始寫入數(shù)據(jù)。寫完之后FLASH將R/B信號(hào)置高，F(xiàn)LASH控制器檢測到R/B的變化，則輸入read status command，從I/O 0口獲取反饋，如果是0，表明寫操作成功，否則失敗。

2 擦除模塊

塊擦除（Block erase）命令每次擦除一塊，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要設(shè)計(jì)一個(gè)32 K緩沖。當(dāng)要寫一塊數(shù)據(jù)時(shí)先將該塊中有用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到緩沖中再進(jìn)行擦除，防止數(shù)據(jù)的丟失。塊擦除的工作流程見圖3。

圖3 擦除模塊流程圖

首先寫建立擦除命令（60 h），然后寫塊地址，這兒的地址為兩個(gè)字節(jié)。之后寫擦除指令（D0 h），在擦除的過程中，R/B信號(hào)為低，擦除完成之后置高。這時(shí)控制器檢測到R/B的高電位，輸入read status command命令來讀取狀態(tài)。如果I/O 0為低說明擦除成功，為高則說明擦除失敗。

每塊flash難免會(huì)有壞塊，但第一塊要確保是正常的。廠商在出廠時(shí)就會(huì)在壞塊上有相應(yīng)的標(biāo)記。Flash在使用之前，所有的字節(jié)都為FFH，但如果是壞塊的話，廠商會(huì)在其第1或第2頁的列地址為517處設(shè)置成non-FF，即spare field的第六個(gè)字節(jié)為非全1。

當(dāng)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)準(zhǔn)確度要求非常高的時(shí)候，對flash首先要做一次檢測，確定有哪些壞塊，并建立一個(gè)表來存儲(chǔ)這些壞塊的地址。而且在以后正常使用后，還要在每次擦除以及寫操作之后讀取flash狀態(tài)，如果是狀態(tài)為error的話就將這塊的地址存儲(chǔ)到壞塊表中。

3 仿真驗(yàn)證

分別通過對讀、寫以及擦除模塊的仿真，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的正確性以及可行性。仿真結(jié)果見圖4。

圖4 仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

NAND FLASH存儲(chǔ)器已經(jīng)成了存儲(chǔ)介質(zhì)的主流產(chǎn)品，而其控制器大部分是國外產(chǎn)品，加快集成電路設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展是我國的當(dāng)務(wù)之急，利用FPGA可以設(shè)計(jì)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的IP核，并且增強(qiáng)了兼容性與靈活性。

[1]K9F5608U0B FLASH MEMORY datasheet.http://www.samsung.com.2003.

[2]曾祥萍.ISE集成開發(fā)環(huán)境下基于FPGA的數(shù)字設(shè)計(jì).電腦知識(shí)與應(yīng)用，No.12P.156-158.2006.

[3]楊之廉.超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)方法學(xué)導(dǎo)論（第二版）.清華大學(xué)出版社，1999.

[4]徐欣，于紅旗等.基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.