基于Power PC架構嵌入式系統的FLASH選型及設計要點

施辰光 張陽

摘 要：本文以MPC8349處理器所搭建的嵌入式系統為例，分析了國內外幾種NOR FLASH芯片在選型、布局、焊接時所需要注意的事項，并針對傳統的NOR FLASH自測試方法提出了改進意見。

關鍵詞：MPC8349；NOR FLASH；Power PC；嵌入式系統；脫焊

隨著當今計算機技術的迅猛發展，國防、通訊、醫療儀器、工業控制等領域對計算機的要求也變得越來越高。

嵌入式系統的功耗低、可靠性高、處理能力強、實時性強等優點使得嵌入式系統能夠滿足機載計算機的各項要求，成為當代機載計算機的主要實現方式。

Freescale公司推出的Power PC嵌入式處理器集成度高，接口豐富，應用廣泛，在全球處理器市場上處于無可爭議的領先地位。

Power PC處理器上電后會從其存儲接口讀取引導程序，來對處理器進行初始化，接著再從存儲接口中讀取操作系統和需要運行的應用程序，因而存儲器是Power PC嵌入式系統中不可或缺的一部分。

FLASH已經成為了目前最成功、最流行的一種固態內存，與EPROM、EEPROM相比FLASH的讀寫速度更快，而與SRAM相比FLASH具有非易失、以及價廉等優勢，因而絕大多數PowerPC嵌入式系統都采用FLASH作為其數據存儲單元。

1 NAND FLASH與NOR FLASH

FLASH用于存儲系統運行所必需的系統程序、應用程序和重要的數據，它的優點是掉電后其中的數據不會丟失。常用的FLASH有NOR型和NAND型兩種。NOR FLASH是由Intel公司在1988年開發，以替代EPROM和E2PROM，徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統天下的局面。隨后，東芝公司在1989年發布了Nand Flash[ 1 ]。

NAND FLASH能提供極高的單元密度，并且寫入和擦除的速度也很快，是大容量數據存儲的最佳選擇[ 2 ]。但它的缺點也同樣明顯，NAND FLASH讀取速度較慢，它的I/O端口只有8個，數據地址線共用，傳送數據時，速度遠遠比不上NOR FLASH的并行模式。再加上NAND FLASH的邏輯為電子盤模塊結構，內部不存在專門的存儲控制器，一旦出現數據壞塊將無法修正， 可靠性較NOR FLASH要差[ 3 ]。

NOR FLASH采用NOR SGC（Stacked Gate Cell）存儲單元，接口都是單獨的地址、數據和控制信號，讀寫方式為并行讀寫，便于直接讀取，隨機讀取速度快，但擦除和寫入速度較慢。NOR FLASH最主要的特點是芯片內執行XIP（eXecute-In-Place），這樣應用程序可以直接在FLASH內運行，不必再把代碼讀到系統RAM中。NOR FLASH的傳輸效率很高，在小容量時具有很高的成本效益，不過在大容量時就顯得力不從心。

以上這些特性使得NAND FLASH適合存儲數據，而NOR FLASH適合存儲程序。

本文接下來討論的幾種FLASH都屬于NOR FLASH，用來存儲嵌入式引導程序，操作系統等。

2 MPC8349處理器單板計算機設計

本文以MPC8349處理器單板計算機為例對PowerPC處理器的嵌入式系統FLASH設計進行分析。MPC8349嵌入式計算機主要應用于信號處理與數據計算領域，其系統功能框圖如圖1所示。

MPC8270嵌入式系統的硬件結構包括以下幾個功能電路：電源及復位電路，時鐘電路，處理器電路，存儲器電路以及對外接口電路。

本系統中的串行接口、網絡接口和PCI總線均采用MPC8349上集成的協議控制器來實現。

本系統中的存儲空間包含以下幾個方面：

DDR：采用4片16位256MB的DDR2芯片MT47H128M16HG

-3IT，以地址線共用、數據線拼接的方式為處理器提供了64位1GB的動態存儲空間，還有1片連接ECC 校驗位，進行校驗，以上5片DDR2芯片作為整個系統的動態存儲單元，為軟件的運行提供空間；

系統FLASH：采用2片16位32MB的FLASH芯片，以地址線共用、數據線拼接的方式為處理器提供了32位64MB的系統FLASH，用于存儲引導程序、操作系統等系統程序；

應用FLASH：采用2片16位32MB的FLASH芯片，以地址線共用、數據線拼接的方式為處理器提供了32位64MB的應用FLASH，用于存儲簡單的應用程序。

2.1 國內外主要FLASH選型差異

MPC8270嵌入式系統中我們總共選用了4片16位32MB的FLASH芯片。國內外先后有許多電子元器件廠家生產過這類FLASH芯片，他們大致相同，但選用不同的FLASH芯片在細節上有許多需要注意的問題。

2.1.1 扇區大小

這種規格的FLASH芯片最早是由AMD公司生產的AM29LV256，該FLASH的扇區大小為64KB。如今AMD的FLASH停產了，這種規格的FLASH芯片主要由國外的SPANSION公司和國內的國微公司進行生產，但是SPANSION公司和國微公司的FLASH扇區大小為128KB。

出于通用化考慮，由于不同類型的FLASH的設備ID是不一樣的，因此我們可以在引導程序中通過讀取設備ID來識別扇區大小。

2.1.2 SPANSION公司的兩種FLASH芯片

SPANSION公司生產過兩種8/16位可配置，32MB的FLASH芯片，它們的型號分別為S29GL256N11TFI01和S29GL256P10TFI010。這兩種FLASH芯片的扇區大小，扇區總數，讀寫操作都是一致的。但由于在制作工藝上略有差別，使得它們在進行校驗運算時有所不同。

FLASH芯片在擦除、寫入等操作后需要采用toggle的方式進行查詢，判斷操作是否完成。兩種FLASH的toggle算法最大的差異在于S29GL256N11TFI01為讀兩次之后判斷toggle位是否還在變化，而S29GL256P10TFI010為讀三次之后進行判斷。如果沒有按照正確的算法進行校驗，在數據量比較小的時候或許也能使用，但進行數據量比較大的操作時經常會出現錯誤。因此也推薦使用讀FLASH的設備ID號來區分不同的FLASH芯片，使用相應的算法。

2.1.3 國微公司的四種FLASH芯片

深圳國微公司對SPANSION公司的S29GL256N11TFI01芯片進行了國產化研制，質量等級為國軍標級，校驗算法與S29GL256N11TFI01一致，但是國微公司的FLASH芯片具有四種封裝形式。

除了最初的SM29LV256M，國微公司還提供管腳二次成型的FLASH芯片，從芯片頂端出管腳的飛翼FLASH芯片，以及馬上完成定型的塑封FLASH芯片。

由于前三種FLASH芯片均為金屬封裝，導致芯片質量較大，因此使用時建議在FLASH芯片的兩側點封高強度的膠加以固定，可以有效減少FLASH脫焊現象。

二次成型的FLASH芯片對管腳進行了處理，增加了應力釋放環，用于分攤不同溫度時芯片管腳處產生的應力。飛翼FLASH芯片由于其從芯片頂端出管腳的特性，可極大程度減少焊點處的應力，但由于暴露在外的管腳過長，容易在運輸、使用過程中遭受外力造成管腳損壞，建議增加蓋板進行保護。

2.2 PCB布局

對于FLASH芯片，由于其管腳非常細密，相對來說更加容易出現脫焊。我們對3種模塊近兩年產生的14起脫焊事件進行了分析，有11起脫焊都發生在距離處理器芯片較近一邊的FLASH芯片上，僅有3起脫焊發生在距離處理器芯片較遠一邊的FLASH芯片上。

我們對其中一個模塊進行了熱仿真，環境溫度為30℃，仿真結果見圖2。

從上圖中我們可以看出，處理器芯片是整個模塊中最大的發熱源。模塊加電工作時處理器芯片附近的溫度會非常高，不斷地加電掉電產生非常大的冷熱溫差，使得靠近處理器芯片的FLASH受到很大的溫度應力，導致脫焊。因此我們在進行PCB布局的時候應該把FLASH芯片盡可能遠離處理器等發熱量較大的芯片。FLASH芯片在走線的時候為了保證信號質量，不要從開關電源、晶振等噪聲較大的芯片下方穿過。FLASH芯片的讀周期時間一般在100ns左右，不屬于高速信號，因此走線要求比較寬松，不需要嚴格等長。

2.3 FLASH芯片焊接

FLASH芯片如果采取回流焊，會使得管腳淌錫過少，容易出現脫焊。因此建議回流焊之后再進行手工補焊，增加管腳處的錫量。另外，FLASH芯片在維修、更換時一定要將芯片下方的印制板清洗干凈，如果有殘留的松香等雜物，會將FLASH芯片墊高，使得芯片管腳浮空，容易出現脫焊現象。

如果焊接國微公司金屬封裝的FLASH芯片，由于其自重過大，在震動時容易出現脫焊。因此焊接完成這類FLASH芯片時，需要在芯片的兩側點封高強度膠，對芯片進行固定。

2.4 數據保護

我們將引導程序存儲在FLASH中，但是在使用過程中常常由于誤操作，對存放引導程序的區域進行擦寫，導致引導程序錯誤，整個模塊無法啟動，以至于我們重新需要從處理器芯片的JTAG接口來配置處理器并重新編程，對于一些裝有殼體的模塊十分麻煩。因此可以采取一些措施對我們的引導程序進行保護。

在FLASH芯片上有引腳WP#/ACC，當這個信號為低時，可以保護最后一個扇區不被擦寫。但是最后一個扇區的地址為0xFFFE0000-0xFFFFFFFF，而PowerPC處理器的上電自啟動地址為0xFFF00100，所以采用該方式不能保護引導程序。因此需要采用控制FLASH的寫信號來完成保護，可以在FPGA中設置控制寫信號使能寄存器，上電時為“1”。

當寫FLASH地址0XFFF00000—0XFFF20000這段地址時，依據該控制寄存器來決定是否產生寫信號。這種方法可以有效保護我們的引導程序不被誤操作改寫。

2.5 FLASH測試

FLASH一般有兩種類型的測試：FLASH讀測試和FLASH寫測試。FLASH讀測試通常將FLASH中的數據讀取出來，與事先設置好的校驗和進行比較，若比較結果一致則說明讀取FLASH數據正常。FLASH寫測試則是將測試范圍內的數據擦除，再寫入新的數據。寫入完成后讀取FLASH中新的數據，如果和需要寫入的數據一致則說明FLASH寫入數據正常。

由于FLASH寫入數據時具有固定的寫序列，如果在寫序列執行過程中處理器收到中斷，跳轉到中斷服務程序，等中斷服務程序執行完畢之后再繼續進行寫序列會有可能會造成寫入失敗，因此在每一個FLASH寫序列過程中需要關閉中斷，等到寫序列執行完畢后再使能中斷。

傳統的FLASH寫測試一般的操作順序為擦除單個扇區，寫入數據，比較數據，擦除下個扇區。我們在實際應用中發現有個別FLASH芯片在寫入文件時報錯，但是對FLASH進行寫測試卻沒有發現錯誤。對FLASH管腳進行檢測時發現高位地址線橋連或者脫焊。高位地址線橋連或者脫焊使得FLASH芯片在對扇區內的數據進行讀寫操作時沒有影響，但是在扇區選擇時會發生錯誤。傳統的測試程序是對單個扇區進行操作，無法檢測出這類故障。針對這類問題我們對傳統測試程序進行了改進，改進后的操作順序為將所有測試范圍內的扇區進行擦除，向每個扇區寫入各自不同的數據，等所有測試扇區的數據全部寫入完成后進行讀取，再與需要寫入的數據進行比較。改進后的測試程序不再局限于單個扇區，而是對整個測試區域進行讀寫操作，可以檢測出高位地址線異常而產生的問題。

2.6 其他需要注意的問題

在對FLASH進行擦除或者寫入操作過程中，如果因為突發情況導致模塊掉電，會使得正在擦除或者寫入的扇區中的數據不穩定。重新上電后該扇區中的個別數據會不斷跳變，如果這時對FLASH進行讀測試會報出錯誤。出現這類現象時只需要對該扇區重新進行擦除，即可消除故障。

3 結束語

由于航空航天領域對國產化的要求，我們在芯片選型時具有一些限制。但隨著國內芯片廠家的發展，將有越來越多的國產芯片可供選擇。S29GL01GP11TFI010等更大容量的NOR FLASH也將進行國產化研制，對此我們拭目以待。

參考文獻：

[1] 周書林，邱磊，唐桂軍.同時支持Nand Flash和Nor Flash啟動的啟動加載程序設計實現.科學技術與工程，2010（02）.

[2] 張起貴，裴科，張剛，趙哲峰.基于不同類型Flash-ROM的Bootloader設計.計算機工程與應用，2007（33）.

[3] 劉錦萍.閃存與數碼相機.嘉興學院學報，2006（S1）.

作者簡介：施辰光（1988-），男，上海人，助理工程師，研究方向：嵌入式技術。