一种在片上系统中实现Nand Flash控制器的方法
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。
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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
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5 结束语
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