基于ARM9內(nèi)核Processor外部NAND FLASH的控制實(shí)現(xiàn)

1 NAND FLASH

NAND寫(xiě)回速度快、芯片面積小，特別是大容量使其優(yōu)勢(shì)明顯。頁(yè)是NAND中的基本存貯單元，一頁(yè)一般為512 B(也有2 kB每頁(yè)的large page NAND FLASH)，多個(gè)頁(yè)面組成塊。不同存儲(chǔ)器內(nèi)的塊內(nèi)頁(yè)面數(shù)不盡相同，通常以16頁(yè)或32頁(yè)比較常見(jiàn)。塊容量計(jì)算公式比較簡(jiǎn)單，就是頁(yè)面容量與塊內(nèi)頁(yè)面數(shù)的乘積。根據(jù)FLASH Memory容量大小，不同存儲(chǔ)器中的塊、頁(yè)大小可能不同，塊內(nèi)頁(yè)面數(shù)也不同。例如：8 MB存儲(chǔ)器，頁(yè)大小常為512 B、塊大小為8 kB，塊內(nèi)頁(yè)面數(shù)為16。而2 MB的存儲(chǔ)器的頁(yè)大小為256 B、塊大小為4 kB，塊內(nèi)頁(yè)面數(shù)也是16。NAND存儲(chǔ)器由多個(gè)塊串行排列組成。實(shí)際上，NAND型的FLASHMemory可認(rèn)為是順序讀取的設(shè)備，他僅用8 b的I/O端口就可以存取按頁(yè)為單位的數(shù)據(jù)。NAND在讀和擦寫(xiě)文件、特別是連續(xù)的大文件時(shí)，速度相當(dāng)快。

2 NAND FLASH與NOR FLASH比較

NOR的特點(diǎn)是可在芯片內(nèi)執(zhí)行，這樣程序應(yīng)該可以直接在FLASH內(nèi)存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR的傳輸效率很高，但寫(xiě)入和讀出速度較低。而NAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，并且寫(xiě)入和擦除的速度也很快，是高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度的最佳選擇。

這兩種結(jié)構(gòu)性能上的異同主要為：NOR的讀速度比NAND快；NAND的寫(xiě)入速度比NOR快很多；NAND的擦除速度遠(yuǎn)比NOR快；NAND的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路也更加簡(jiǎn)單；NAND的實(shí)際應(yīng)用方式要比NOR復(fù)雜得多；NOR可以直接使用，并在上面直接運(yùn)行代碼，而NAND需要I/O接口，因此使用時(shí)需要驅(qū)動(dòng)程序。

3 NAND FLASH在系統(tǒng)中的控制

在沒(méi)有NAND FLASH硬件接口的環(huán)境中，通過(guò)軟體控制CPU時(shí)序和硬件特殊接線方式實(shí)現(xiàn)仿真NANDFLASH接口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)中脫離NANDFLASH專用硬件接口進(jìn)行對(duì)NAND FLASH讀、寫(xiě)、擦除等操作的實(shí)現(xiàn)方法。

本方法主要工作在以下兩個(gè)方面：

軟件方面：針對(duì)特殊硬件線路的軟體設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的CPU時(shí)序控制；
硬件方面：硬件的線路設(shè)計(jì)，利用NOR FLASH專用硬件接口控制NAND FLASH。
首先建立的開(kāi)發(fā)平臺(tái)如圖1所示。



本平臺(tái)使用Intel的PXA270 Processor，無(wú)內(nèi)建NAND FLASH Controller，使用NOR FLASH Controller控制NAND FLASH，具體的線路連接方式如圖2所示。



NAND FLASH的I/O0～I(xiàn)/07引腳用于對(duì)FLASH發(fā)送操作命令和收發(fā)數(shù)據(jù)，ALE用于指示FLASH當(dāng)前數(shù)據(jù)為地址信息，CLE用于指示當(dāng)前數(shù)據(jù)為操作命令信息，當(dāng)兩者都無(wú)效時(shí)，為數(shù)據(jù)信息。CE引腳用于FLASH片選。RE和WE分別為FLASH讀、寫(xiě)控制，R/B指示FLASH命令是否已經(jīng)完成。逭里選用的是CE dont care的NAND FLASH。

NAND FLASH的讀寫(xiě)操作以page方式進(jìn)行，一次讀寫(xiě)均為一個(gè)page，erase方式以block方式進(jìn)行。這種方式，使其讀寫(xiě)速度大大提高。
在時(shí)序方面，以讀操作為例，其時(shí)序如圖3所示。



操作過(guò)程主要分為以下幾個(gè)步驟：

(1)發(fā)送讀操作命令
CE有效，CLE有效，WE有效，I/O0～I(xiàn)/O8上面數(shù)據(jù)為command代碼數(shù)據(jù)。

(2)發(fā)送地址數(shù)據(jù)(需要讀取的FLASH地址)
CE有效，ALE有效，WE有效，I/O0～I(xiàn)/O8上面為所需地址數(shù)據(jù)。由于地址數(shù)據(jù)較多，所以需要分幾次依次發(fā)送。每次發(fā)送都需要產(chǎn)生WE信號(hào)以將其寫(xiě)入NANDFLASH芯片。

(3)等待R/B信號(hào)，最后讀出數(shù)據(jù)
在最后一個(gè)地址數(shù)據(jù)寫(xiě)入FLASH之后，R/B信號(hào)即變低。等待芯片完成整個(gè)page數(shù)據(jù)讀取之后，R/B信號(hào)變高。此時(shí)，CE有效，ALE，CLE均拉低，依次產(chǎn)生RE信號(hào)，從I/O0～I(xiàn)/O8讀取出所需數(shù)據(jù)。

對(duì)于寫(xiě)操作和擦除操作，其基本原理相同，只是信號(hào)順序略有改變，就不再贅述。

由于使用了CPU地址線A1，A2連接CLE，ALE引腳，對(duì)CPU低2、3位地址的讀寫(xiě)操作就意味著對(duì)NANDFLASH進(jìn)行讀寫(xiě)命令/數(shù)據(jù)操作。如果此程序工作在OS上的application層的話，MMU已經(jīng)屏蔽程序?qū)Φ讓佑布闹苯釉L問(wèn)，所以需要對(duì)MMU進(jìn)行設(shè)定，為NANDFLASH開(kāi)辟一塊。Memory映像區(qū)域，這樣就可以通過(guò)OS對(duì)底層的NAND FLASH進(jìn)行操作。以該系統(tǒng)為例，使用CPU的CS1引腳控制NAND FLASH的CE信號(hào)，先將其映像為0x24000000地址，此時(shí)，對(duì)0x24000000地址讀寫(xiě)即對(duì)NAND FLASH芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，而對(duì)Ox24000002地址寫(xiě)數(shù)據(jù)，使CPU的A1地址引腳為高，即對(duì)NAND FLASH發(fā)送command命令，同樣，對(duì)0x24000004地址寫(xiě)數(shù)據(jù)，即對(duì)NAND FLASH發(fā)送address數(shù)據(jù)。

在對(duì)NAND FLASH發(fā)送命令/數(shù)據(jù)之后，由于程序運(yùn)行速度比FLASH芯片快很多，需要在每一次操作之后插入若干等待周期，并利用CPU的GPIO檢測(cè)芯片R/B信號(hào)。直至芯片完成本次操作再進(jìn)行下一步操作。

需要注意的是，在對(duì)FLASH發(fā)送命令數(shù)據(jù)過(guò)程中的等待，沒(méi)有反饋信號(hào)可以檢測(cè)，只能通過(guò)反復(fù)調(diào)試確定其所需等待時(shí)間。

在設(shè)計(jì)中采用CPU的CS1信號(hào)對(duì)NAND FLASH進(jìn)行CE(片選)控制。此處不能采用CPU的GPIO進(jìn)行控制，因?yàn)樵?strong>嵌入式設(shè)備的ARMCPU中，CPU本身采用了指令、數(shù)據(jù)自動(dòng)預(yù)讀的高速緩存技術(shù)和流水線技術(shù)。因此，當(dāng)程序在NOR FLASH里面直接運(yùn)行的時(shí)候(目前絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)采用的方式)，在運(yùn)行任何兩段相連的代碼中間，CPU都有可能對(duì)NOR FLASH進(jìn)行指令或數(shù)據(jù)的預(yù)讀操作，從而產(chǎn)生大量的RE，OE信號(hào)和地址信號(hào)。 如果使用GPIO控制NAND FLASH的CE信號(hào)則無(wú)法避免這種影響。CPU的CS1信號(hào)是由CPU內(nèi)部自動(dòng)產(chǎn)生，因此在CPU預(yù)讀期間，CS1信號(hào)可以有效屏蔽NANDFLASH芯片。并且，由于NAND FLASH芯片支持CEdont care模式，在CE無(wú)效的情況下，芯片本身的工作狀態(tài)并不會(huì)被干擾，由此保證了NOR FLASH和NANDFLASH在同一CPU界面中互不干擾的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于CS1信號(hào)的寬度等參數(shù)，也需要在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行調(diào)節(jié)，才能保證整個(gè)系統(tǒng)快速穩(wěn)定的運(yùn)行。

4 NAND FLASH在系統(tǒng)中的讀寫(xiě)速度

經(jīng)過(guò)測(cè)試在該系統(tǒng)平臺(tái)中，OS為Palm OS 5.4；CPU使用PXA270 312 MHz；SDRAM使用Samsung的16data width HYB25L256160AF-7.5@104 MHz；NANDFLASH選用Samsung 128 MB 8 b I/O NAND LASHK9F1G08U0A達(dá)到在文件系統(tǒng)下面的讀/寫(xiě)的速度為3 MB/s，擦除的速度為65 MB/s，在手持式設(shè)備中運(yùn)用性能已經(jīng)夠了。