基于NAND FLASH控制器的自启动方式实现SOC系统的设计
1、引 言
随着消费类电子产品包括pda，mp3、智能手机等手持设备的市场需求逐步扩大，产品间的竞争也愈发激烈，降低产品的设计成本，提升产品的市场竞争力成为嵌入式系统开发者所面临的重大挑战。nand flash和norflash作为两种主要的非易失性存储器，被应用于各种嵌入式系统。其中nand flash主要优点在于存储密度高、容量大，有更占优势的存储性价比。但是nandflash由于其独特的页式读写方式，并不适合程序的直接执行。因此，从nand flash启动需要片上存储器作为代码执行的中转区。本文所讨论的一种系统启动方式，是在缺少片上存储器支持的情况下，实现系统直接从nand flash启动。论文中充分考虑了如何实现软、硬件之间的协同工作，以完成soc系统的设计。
2、nand flash控制器的结构
本文所讨论的nand flash控制器是针对一款基于arm7tdmi的soc芯片，该控制器在芯片中的位置如图1所示，作为amba总线上的一个从设备集成于ahb上。主要模块包括总线接口模块、fifo缓冲模块、ecc编码模块以及逻辑控制模块。
总线接口模块主要的功能是转换amba总线上的控制和数据信号：将总线上的数据送入fifo或将数据从fifo读出到总线上，将总线上的控制信号转换时序后送到控制模块。
nand控制器包含一个宽度为32 b，深度为4的缓冲fifo，用于解决高速总线与低速设备之间数据传输速度的匹配问题。为提高总线的传输效率，以及控制器设计的便利性，nand flash在总线上的数据传输采用dma的方式来完成。譬如在读取flash一页数据时，数据持续写入控制器fifo，fifo满时发出dma传输的请求，同时暂停flash的数据读取，控制信号nre拉高，直至dma响应请求即fifo不满时，flash的数据传输重新开始。当选择应用的flash位宽为8，页大小为（512+16）b时，控制器需要发出（32+1）次4拍字宽度的dma传输请求来完成数据和校验信息的读取。
控制模块的上作主要是将总线接口转换的控制信号，按照nand flash的接口协议．将片选、地址、命令、读写使能按照所配置的时序要求，发送到nand flash中，并且控制数据的传输个数，以及dma请求、数据传输完成中断、数据错误中断等系统信号。
nand flash可靠性相对较差，存储器芯片中有坏块的存在，会导致存储数据出错。ecc校验模块针对nand flash的可靠性问题，提供了一种查错、纠错的机制。ecc校验码在数据读人时，由硬件计算完成后写入到flash的校验位中，当此页数据读出时，校验码再次生成与存储器校验位中的数据进行比较，若相同则没有损坏位，若不同，则给出出错中断，软件通过检查比较结果，判断出错位的位置进行纠错处理。纠错功能仅针对单bit位的出错，当一个以上位同时在一页中出现时，ecc校验不能给出出错位正确的位置。
3、nand flash工作的软件流程
按照上节对控制器结构以及传输机理的分析，nandflash的使用需要在flash控制器模块以及dma控制器模块的协同下完成，工作的软件流程如图2所示。
软件驱动的主要工作是配置dma模块以及flash控制模块，当传输完成，检测到中断后，软件查询状态寄存器，其中的状态位来自flash。当一次操作完成后，控制器自动向flash发出查询状态的命令0x70，读出的状态字保存在控制器的状态寄存器中。
4、nand flash系统启动的传统模式
目前支持从nand flash启动的soc芯片中，一般都内嵌有片卜存储器。各个处理器厂商对这块片上存储器定义的容量大小有所不同，但是启动模式都是比较一致的。nand flash按页顺序读取的方式，意味着对当前的存储地址访问后就无法马上再次访问，需在当前页访问完成后，重新对此页访问时，才可对先前的地址单元再次访问，这就导致了一些程序语句无法执行，譬如跳转、循环等语句的使用。因此nand flash仅作为启动代码的存储区，而真正执行的存储器区域是内嵌的片上存储器或者片外的sdram。
以上文中描述的控制器为例，按照这种启动模式，程序搬运以及执行的过程如下：
系统上电前，外部硬线nand boot开关选择从nand flash启动。芯片设计时，默认dma占有系统总线，dma按照配置寄存器的默认值工作，其源地址指向nand flash，目标地址指向片上sram，nandflash控制器在nand boot选中的情况下，默认向nand flash的首页发出读命令。即上电后，dma控制器以及nand flash控制器默认的把flash存储器中的第一页搬到了片上sram中。一直到dma的工作完成前，arm核无法占用总线。此时零地址映射在片上sram，dma完成搬运后，arm开始执行程序。此段代码完成的工作包括对sdram控制器的初始化，从nand flash搬运核心代码至sdram，配置地址重映射寄存器至零地址处，最后将pc指向零地址的sdram。在sdram执行的代码开始真正启动系统。
5、nand flash系统启动的新方法
一般情况下，片上存储器在作为启动代码转移阶石的同时，往往在启动后也有其特殊的作用。可以作为特殊的程序区，譬如在进行mp3解码过程中，核心解码函数作为频繁调用的程序，可以安排在片上sram中，以提高读取速度，提升系统性能。在soc芯片开发过程中，在整体架构以及模块功能的变化之后，这块内嵌的sram失去了原来的作用，而仅作为nand flash启动时的代码跳板，对于整个芯片而言，付出的代价比较大。于是提出了在没有片上存储器的架构下，从nand flash启动的一种新模式。
在上述一般模式启动过程中，片上sram所起到的作用，就是执行nand flash中第一页的代码，将真正的启动代码引入到sdram，最后将pc指针指向sdram。在失去片上sram的支持后，可以在控制器的fifo中去执行此段代码，这需要在硬件以及软件代码中作出适当的改变。 （1） 首先需要改变的是地址映射的机制，系统上电后，arm即从零地址开始执行指令，零地址映射到nand flash的fifo入口地址，地址的译码过程由amba总线模块完成。在外部硬线nand boot拉高的条件下，amba从设备地址译码模块在启动过程中，将零地址的设备选择权给到缓冲fifo。在第一页的指令执行完毕后，pc指针也指向sdram。
（2） 其次是nand flash控制器在启动过程中，对数据的读取方式。鉴于nand flash大批量数据读写的特性，往往采用dma方式对数据进行操作。启动过程中，由arm core直接向fifo读取数据，在fifo读空的情况下，将从没备ready信号拉低，等待nand中的数据读出。并且在此读取过程中，dma的请求被屏蔽。
（3） nand flash型号类型众多，从每页容量大小、数据宽度、地址级数以及各型号芯片不同的时序参数，决定了一个控制器接口的兼容性要求相当的高。为了兼容从不同的nand flash启动，设置了4根硬线作为选择。nand boot选择是否从nand flash启动；pagesize选择每页大小，支持512 b／page，2 kb／page；iowide选择数据端口的宽度，支持8位、16位；ad-dresscycle选择发送地址级数，支持3级、4级、5级地址。时序参数的配置值可以采用默认的宽松值，在读取首页信息之后，将配置值根据当前的时钟频率以及芯片类型，选择舍适的时序值以达到最佳的性能。 （4） 存储器首页的代码是在缓冲fifo中执行的，fifo的入口地址是一个高24位的选通地址，因此当系统启动时，零地址开始增加，对fifo中渎出的指令而言，低8位地址的变化是无关的，fifo始终被选通。指令的输出是默认的顺序输出。这就要求首页的代码中不可以出现循环、跳转等语句，并且要求在128条指令内完成需要的操作。
6、启动代码和流程的分析
上述的汇编程序即是存放在nand flash首页的启动代码，启动的流程如下：
（1） 配置dma控制器的4个寄存器，通道使能后，等待flash发出的搬运请求；
（2） 配置nand flash控制器的3个寄存器，选择适合的地址、时序参数与所用的flash芯片吻合；
（3） 分别在r8～r11中放入程序需要的备用值；
（4） 将需要在sdram中运行的4条指令搬入sdram 0x30000000处；
（5） 执行nop指令，nop指令用于填充一页nandflash中的剩余空间；
（6） 执行在页末的指令，将pc指针指向sdram的0x30000000处；
（7） 执行sdram中的指令，首先启动nandflash的数据传输，将程序搬往sdram的0x30001000处。其次执行一个循环语句，等待第一页的程序搬完，之后将pc指针指向0x30001000处，启动程序从0x30001000处正式开始执行。
7、结 语
本文提出了一种nand flash自启动的新方案，通过对硬件电路以及软件代码作合适的调整，从芯片中去除了内部sram，降低了soc芯片的开发成本。本方案已经通过一款命名为garfieldv的soc芯片的测试，达到了预期的效果。
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2、nand flash控制器的结构
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（4） 将需要在sdram中运行的4条指令搬入sdram 0x30000000处；
（5） 执行nop指令，nop指令用于填充一页nandflash中的剩余空间；
（6） 执行在页末的指令，将pc指针指向sdram的0x30000000处；
（7） 执行sdram中的指令，首先启动nandflash的数据传输，将程序搬往sdram的0x30001000处。其次执行一个循环语句，等待第一页的程序搬完，之后将pc指针指向0x30001000处，启动程序从0x30001000处正式开始执行。
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