基于ＡＭＢＡ總線的ＮＡＮＤ ＦＬＡＳＨ控制器軟硬件劃分設計

摘 要：在AMBA AHB總線上實現NAND FLASH控制器有多種方案。為使其具有更好的兼容性，既能支持主流型號NAND FLASH的各種命令，同時又兼顧到讀寫效率，該設計根據NAND FLASH本身的操作特點，提出一種軟硬件劃分的設計方案，以軟硬件結合的方式設計出NAND FLASH控制器。該設計通過系統級仿真，功能符合NAND FLASH操作規范。

關鍵詞：NAND FLASH；AHB；控制器；軟硬件劃分

中圖分類號：TN79 文獻標識碼：B 文章編號：1004-373X(2008)02-001-03

NAND FLASH Controller Design with Software/Hardware Partition Based on AMBA General Bus

XIAO Peng，LIU Xinning，DU Honghua

(National Engineering Research Center for ASIC System，Southeast University，Nanjing，210096，China)

Abstract：There are many kinds of methods to implement the NAND FLASH controller on the AMBA AHB general bus.In order to make it has a better compatibility which can support all kinds of commands of the primary NAND FLASH in the market，at the same time it has a high access efficiency，according to the characteristic of NAND FLASH operation，here gives a kind of software/hardware partition solution of implementing the controller by both hardware and software way.This design has past the system simulation and all functions accord with the NAND FLASH specification.

Keywords：NAND FLASH;AHB;controller;software/hardware partition

隨著嵌入式系統的發展， NAND FLASH正被越來越多地應用到嵌入式系統中。而NAND FLASH與處理器的連接需要接口支持，其可以是純硬件的接口，即SoC中本身設計有NAND FLASH硬件控制器，只要根據具體信號線直接連接；也可以是純軟件接口，即SoC中本身沒有專門的NAND FLASH硬件控制器，這時可以將信號線連接到GPIO口或是外部存貯器接口上，通過軟件實現NAND FLASH的各種操作。

純硬件接口所能支持的NAND FLASH命令有其局限性，因為各種型號NAND FLASH命令不盡相同，接口所能支持的命令又受其狀態機的限制。純軟件接口可以很好地解決這個問題，但很耗費時鐘周期，讀寫速度將大大下降。為了使SoC能更好地兼容各種型號NAND FLASH并提高讀寫效率，本設計采用軟硬件結合的方法實現基于AMBA AHB總線的8位NAND FLASH控制器，以滿足上述要求。

1 NAND FLASH基本操作

NAND FLASH接口信號由1個8位的I/O數據線和6個主要的控制信號構成，其中8位I/O信號線用來傳送NAND FLASH的命令字、地址、數據信息，其他6位控制信號包括CE，WE，RE，CLE，ALE，R/B。NAND FLASH最基本和最常用的操作命令是整頁讀、整頁寫、讀狀態字和塊擦除。除了讀狀態字操作，系統總要通過I/O口先向設備發出相關的命令字，再發出相應的地址信息。NAND設備內部有命令字寄存器和地址寄存器，用來鎖存相應的命令字和地址信息。下面著重介紹基本的整頁讀操作和整頁寫操作流程，擦除操作流程與此類似。

1.1 讀操作

當發出整頁讀命令和地址后，數據從FLASH存貯體傳送到他內部的數據寄存器中，此項工作完成后(通過R/B信號線判斷是否完成)，就可以通過I/O口讀出數據寄存器中的數據。時序圖如圖1所示，以下是該過程實現的步驟：

命令發送 此時CE信號有效，CLE=1，ALE=0，讀命令00h通過I/O口傳送，在WE信號的上升沿，命令字將被鎖存到NAND FLASH的命令寄存器。

地址發送 此時CE信號有效，CLE=0，ALE=1，地址信息將通過I/O口寫到地址寄存器。地址信息包括行地址和列地址信息(具體參見各NAND FLASH器件手冊)，是以Byte的數據格式分幾個連續的周期寫入，在每個WE信號的上升沿，地址信息將被鎖存到NAND FLASH地址寄存器。

數據傳送 此時CE信號有效，CLE=0，ALE=0，數據從存貯體中傳送到數據寄存器中，NAND FLASH處于Busy狀態，即R/B信號為低電平，當數據傳送完畢，此信號線為高電平，表示設備處于Ready狀態，數據可以從數據寄存器中讀出。

數據讀出 此時R/B[TX-]信號為高電平，CE信號有效，CLE=0，ALE=0，數據將根據RE信號的節拍通過I/O口讀出。

1.2 寫操作

當發出寫命令和地址后，數據通過I/O口寫入內部的數據寄存器中，再寫入存貯體，也是通過R/B[TX-]信號線判斷是否寫入完成。此過程實現步驟與讀操作類似，先是通過I/O口發送寫命令字80 h，然后地址發送，再將數據通過I/O口寫入NAND FLASH的數據寄存器，下面發出編程命令字10 h，存儲器進入Busy狀態，通過R/B[TX-]信號表示，并將數據從寄存器寫入存貯體，最后發出狀態讀命令字70 h，以檢查此過程是否成功完成。其時序圖與讀操作相似，下面只給出寫操作流程圖，如圖2所示。

除了以上操作，各種不同NAND FLASH還支持各種不同的命令，如ID讀取、半頁讀、兩頁寫、兩頁擦除、復制操作等，視具體NAND FLASH而定。

2 軟硬件劃分方案

系統對NAND FLASH的操作，主要包括3部分，即命令發送部分、地址發送部分和數據傳輸部分。因此普通的NAND FLASH的硬件接口設計包括命令發送邏輯、地址發送邏輯、讀數據和寫數據邏輯。這種設計的優勢是各種功能都是硬件實現，節省CPU的指令周期，速度快。但是各NAND FLASH支持的命令不盡相同，這種設計由于其狀態機對命令字的限制，只能支持特定的幾種NAND FLASH。

為了使控制器能支持更多型號NAND FLASH，本設計提出一種軟硬件劃分方案，即用軟件實現命令發送和地址發送，數據傳輸時序則由硬件完成。這種方案實現將由軟件代碼和硬件的讀寫狀態機共同工作。[GK7!]這樣，由于命令字是通過軟件發出的，將不會受到像硬件那樣被固定的限制；同時由硬件完成數據傳輸部分保證了其讀寫效率。

軟件部分的實現可以利用SRAM接口的2根地址線控制ALE和CLE，RE和WE信號利用SRAM的讀寫信號進行控制，從而實現系統對命令字和地址的寫入；另外還要用到GPIO口2根信號線分別控制CE和R/B以配合上述過程的實現。硬件部分主要包括一個讀寫時序狀態機完成數據的傳輸工作。

當然，這種設計因為命令和地址發送都是通過指令完成，會占用一定的CPU時間。但從綜合評價的角度看，在NAND FLASH的讀寫操作中數據傳輸部分的時間占絕大多數比例，而這部分是用硬件實現的；因而相對而言，軟件部分只占用很少的時間，卻換來對幾乎任何一種NAND FLASH芯片的支持，而且節約硬件面積，因此這種劃分方案是可行的。

3 NAND FLASH控制器的軟件部分設計

3.1 系統連接方案：

控制器軟件部分的任務將是發送命令和地址，負責系統對NAND FLASH除讀寫時序操作外的所有操作。以對三星K9F4G08U0M NAND FLASH的操作為例，軟件負責的操作有讀寫操作中的發送命令和地址、讀ID操作、復位操作、塊擦除操作、讀狀態字操作、讀EDC狀態操作等，因此軟件需要能控制NAND FLASH的8位的I/O總線和6個主要的控制信號。這可以通過SRAM接口信號和GPIO口的信號實現。

如圖3所示，將地址線A0和A1分別接到ALE和CLE上，利用系統對SRAM的尋址控制ALE和CLE。SRAM的寫使能信號SMWE接WE，SRAM的讀使能信號SMOE接RE， 數據線接I/O口，這樣就完成了用SRAM接口信號控制NAND FLASH部分信號。另外系統對片選信號CE的控制和對R/B信號的判斷，則利用GPIO模塊的GPA0和GPE0這2根信號線，他們分別接到NAND FLASH的CE和R/B信號線上。

3.2 軟件編程

如圖3所示，軟件對NAND FLASH命令字和地址的寫入是借助于SRAM接口和GPIO口而進行。處理器輸出地址0x00000002，譯碼后A0=0，A1=1，這樣可使ALE=0，CLE=1，這時處理器在數據總線上輸出想要的命令字，用SRAM的讀寫控制信號將數據通過I/O送入NAND FLASH；同樣對0x00000001的尋址可使ALE=1，CLE=0，在這個地址上寫入任意數量的8位地址信息，也將通過I/O送入NAND FLASH。另外還可在SRAM控制器中對SMWE，SOME信號的脈沖寬度進行時序配置，使之符合NAND FLASH的WE，RE時序要求。由于塊擦除操作不包括數據傳輸的過程，因此他在本設計中完全由軟件完成。下面以K9F4G08U0M NAND FLASH為例給出示意代碼，說明在圖3的連接下，軟件如何完成命令字和地址的發送，其他操作的軟件編程與此類似。

typedef unsigned char U8;

typedef volatile U8*RP8;

Block-Erase(U8 A0-A7，U8 A8-A11，U8 A12-A19，U8 A20-A27， U8 A28-A29)

{

U8NAND-Data = 0;

SET-CE(0);[JY]//通過GPA0口使CE置有效位

*(RP8)(0x00000002) = 0x60;[JY]//寫入擦除命令

*(RP8)(0x00000001) = A0-A7;[JY]//按順序寫入地址

*(RP8)(0x00000001) = A8-A11;

*(RP8)(0x00000001) = A12-A19;

*(RP8)(0x00000001) = A20-A27;

*(RP8)(0x00000001) = A28-A29;

*(RP8)(0x00000002) = 0xd0;

while(!NAND-R-B());[JY]//等待R/B信號拉高，通過GPE0口判斷

*(RP8)(0x24000002) = 0x70;[JY]//寫入讀狀態字命令

delay(50000);

NAND-Data = *(RP8)NAND-STATE-REG;[JY]//從狀態寄存器中讀出狀態字

NAND-Finish();

if(NAND-Data != 0xc0)

return ;

}



4 NAND FLASH控制器的硬件部分設計

4.1 硬件結構

該控制器硬件部分只負責對存貯器數據的讀寫及其ECC糾錯。其數據必須經過AHB總線接口才能與AHB總線傳輸。其硬件設計框圖如圖4所示。他包括1個數據FIFO，在總線和控制器間緩存數據。ECC模塊負責寫數據和讀數據的校驗。讀寫時序狀態機控制讀寫操作。寄存器組包括配置寄存器，出錯地址寄存器及狀態字寄存器，他們在總線上有統一編址，前者用來配置讀寫時序，后者用來寄存ECC糾錯后出現錯誤的地址。

4.2 讀寫流程

寫數據 先由軟件對存貯器寫入命令和地址，再由軟件對讀寫做時序配置，即通過AHB總線接口將配置信息寫入寄存器組。這樣，所要寫入的數據將通過FIFO進入位寬轉換邏輯，即由總線上來的32位數據轉換成8位數據，通過讀寫時序狀態機寫入NAND FLASH。同時，8位寫入數據也傳入ECC校驗模塊，產生校驗碼，他將隨同寫入數據一起寫入NAND FLASH。

讀數據 同樣先由軟件對存貯器寫入命令和地址，再由軟件對讀寫做時序配置，即通過AHB總線接口將配置信息寫入寄存器組。當R/B信號置高位后，啟動狀態機，從NAND FLASH讀出數據到控制器。這時讀出的數據是8位的，他將通過位寬轉換邏輯轉換成32位數據送入FIFO，最后送入AHB總線接口模塊，由他輸出給總線。與此同時，從狀態機中讀出的8位數據也將輸出給ECC模塊，該模塊將數據進行校驗產生1次檢驗碼，并與寫數據時產生的存入NAND FLASH的檢驗碼做比較。如果比較時發現錯誤，將產生一個中斷信號給系統中斷控制器，由軟件執行異常中斷服務程序；同時計算出錯的地址，送入寄存器組，這樣軟件可以讀出這個出錯地址。

5 結 語

在SoC中實現NAND FLASH控制器，兼容性很重要。SoC并不是專用芯片，而是為某一類應用而設計的，兼容性強才會有好的市場。本文提出一種效率兼顧的軟硬件設計方法實現NAND FLASH控制器，并通過系統級仿真，能很好地滿足兼容性的要求。

參 考 文 獻

［1］Ke Zhan，Daniel Zhao.Interfacing ADSP-BF53x Blackfin Processors to NAND FLASH Memory.Analog Device，Inc，2006，EE-302.

［2］Aseem Vasudev Prabhugaonkar.Interfacing NAND FLASH Memory with ADSP-2126x SHARC Processors.Analog Devices，Inc，2005，EE-279.

［3］Samsung Electronics Corporation.K9F4G08U0M 512M×8 Bits / 1G×8 Bits NAND FLASH Memory Data Sheet［S］.2004.

［4］Kreidl H.嵌入式FLASH微控制器簡介(上)(Embedded FLASH MCU)［J］.世界電子元器件，2002(9):32-33.

［5］Kreidl H.嵌入式FLASH微控制器簡介(下)(Embedded FLASH MCU)［J］.世界電子元器件，2002(10):40-41.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。