PXA270-基于ARM9内核Processor外部NAND FLASH的控制实现

于ARM9内核Processor外部NAND FLASH的控制实现

夏 涛 (上海交通大学微电子学院 上海 200030)

1 NAND FLASH NAND写回速度快、芯片面积小，特别是大容量使其优势明显。页是NAND中的基本存贮单元，一页一般为512 B(也有2 kB每页的large page NAND FLASH)，多个页面组成块。不同存储器内的块内页面数不尽相同，通常以16页或32页比较常见。块容量计算公式比较简单，就是页面容量与块内页面数的乘积。根据FLASH Memory容量大小，不同存储器中的块、页大小可能不同，块内页面数也不同。例如：8 MB存储器，页大小常为512 B、块大小为8 kB，块内页面数为16。而2 MB的存储器的页大小为256 B、块大小为4 kB，块内页面数也是16。NAND存储器由多个块串行排列组成。实际上，NAND型的FLASHMemory可认为是顺序读取的设备，他仅用8 b的I/O端口就可以存取按页为单位的数据。NAND在读和擦写文件、特别是连续的大文件时，速度相当快。 2 NAND FLASH与NOR FLASH比较 NOR的特点是可在芯片内执行，这样程序应该可以直接在FLASH内存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高，但写入和读出速度较低。而NAND结构能提供极高的单元密度，并且写入和擦除的速度也很快，是高数据存储密度的最佳选择。 这两种结构性能上的异同主要为：NOR的读速度比NAND快；NAND的写入速度比NOR快很多；NAND的擦除速度远比NOR快；NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路也更加简单；NAND的实际应用方式要比NOR复杂得多；NOR可以直接使用，并在上面直接运行代码，而NAND需要I/O接口，因此使用时需要驱动程序。 3 NAND FLASH在系统中的控制 在没有NAND FLASH硬件接口的环境中，通过软体控制CPU时序和硬件特殊接线方式实现仿真NANDFLASH接口，进而实现在嵌入式系统中脱离NANDFLASH专用硬件接口进行对NAND FLASH读、写、擦除等操作的实现方法。 本方法主要工作在以下两个方面： 软件方面：针对特殊硬件线路的软体设计和严格的CPU时序控制； 硬件方面：硬件的线路设计，利用NOR FLASH专用硬件接口控制NAND FLASH。 首先建立的开发平台如图1所示。 本平台使用Intel的PXA270 Processor，无内建NAND FLASH Controller，使用NOR FLASH Controller控制NAND FLASH，具体的线路连接方式如图2所示。 NAND FLASH的I/O0～I/07引脚用于对FLASH发送操作命令和收发数据，ALE用于指示FLASH当前数据为地址信息，CLE用于指示当前数据为操作命令信息，当两者都无效时，为数据信息。CE引脚用于FLASH片选。RE和WE分别为FLASH读、写控制，R/B指示FLASH命令是否已经完成。逭里选用的是CE don't care的NAND FLASH。 NAND FLASH的读写操作以page方式进行，一次读写均为一个page，erase方式以block方式进行。这种方式，使其读写速度大大提高。 在时序方面，以读操作为例，其时序如图3所示。 操作过程主要分为以下几个步骤： (1)发送读操作命令 CE有效，CLE有效，WE有效，I/O0～I/O8上面数据为command代码数据。 (2)发送地址数据(需要读取的FLASH地址) CE有效，ALE有效，WE有效，I/O0～I/O8上面为所需地址数据。由于地址数据较多，所以需要分几次依次发送。每次发送都需要产生WE信号以将其写入NANDFLASH芯片。 (3)等待R/B信号，最后读出数据 在最后一个地址数据写入FLASH之后，R/B信号即变低。等待芯片完成整个page数据读取之后，R/B信号变高。此时，CE有效，ALE，CLE均拉低，依次产生RE信号，从I/O0～I/O8读取出所需数据。 对于写操作和擦除操作，其基本原理相同，只是信号顺序略有改变，就不再赘述。 由于使用了CPU地址线A1，A2连接CLE，ALE引脚，对CPU低2、3位地址的读写操作就意味着对NANDFLASH进行读写命令/数据操作。如果此程序工作在OS 上的application层的话，MMU已经屏蔽程序对底层硬件 的直接访问，所以需要对MMU进行设定，为NANDFLASH开辟一块。Memory映像区域，这样就可以通过OS对底层的NAND FLASH进行操作。以该系统为例，使用CPU的CS1引脚控制NAND FLASH的CE信号，先将其映像为0x24000000地址，此时，对0x24000000地址读写即对NAND FLASH芯片进行数据读写，而对Ox24000002地址写数据，使CPU的A1地址引脚为高，即对NAND FLASH发送command命令，同样，对0x24000004地址写数据，即对NAND FLASH发送address数据。 在对NAND FLASH发送命令/数据之后，由于程序运行速度比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检测芯片R/B信号。直至芯片完成本次操作再进行下一步操作。 需要注意的是，在对FLASH发送命令数据过程中的等待，没有反馈信号可以检测，只能通过反复调试确定其所需等待时间。 在设计中采用CPU的CS1信号对NAND FLASH进行CE(片选)控制。此处不能采用CPU的GPIO进行控制，因为在嵌入式设备的ARM CPU中，CPU本身采用了指令、数据自动预读的高速缓存技术和流水线技术。因此，当程序在NOR FLASH里面直接运行的时候(目前绝大多数嵌入式系统采用的方式)，在运行任何两段相连的代码中间，CPU都有可能对NOR FLASH进行指令或数据的预读操作，从而产生大量的RE，OE信号和地址信号。如果使用GPIO控制NAND FLASH的CE信号则无法避免这种影响。CPU的CS1信号是由CPU内部自动产生，因此在CPU预读期间，CS1信号可以有效屏蔽NANDFLASH芯片。并且，由于NAND FLASH芯片支持CEdon't care模式，在CE无效的情况下，芯片本身的工作状态并不会被干扰，由此保证了NOR FLASH和NANDFLASH在同一CPU界面中互不干扰的稳定运行。对于CS1信号的宽度等参数，也需要在实验中进行调节，才能保证整个系统快速稳定的运行。 4 NAND FLASH在系统中的读写速度 经过测试在该系统平台中，OS为Palm OS 5.4；CPU使用PXA270 312 MHz；SDRAM使用Samsung的16 bdata width HYB25L256160AF-7.5@104 MHz；NANDFLASH选用Samsung 128 MB 8 b I/O NAND FLASHK9F1G08U0A达到在文件系统下面的读/写的速度为3 MB/s，擦除的速度为65 MB/s，在手持式设备中运用性能已经够了。