K9F4G08是三星公司的512 MB NAND Flash，具有8 bit輸入輸出總線。存儲(chǔ)空間共分成4 096個(gè)塊，每個(gè)塊有64個(gè)頁(yè)，每個(gè)頁(yè)容量為2 KB，外加64 B的備用空間，組成256 K行×(2 K+64)列的存儲(chǔ)陣列，其地址用5個(gè)字節(jié)表示[1]。
    K9F4G08具有自己的指令集，可以完成對(duì)Flash一個(gè)頁(yè)的讀、寫以及對(duì)一個(gè)塊的擦除等操作。有嚴(yán)格的時(shí)序要求以保證芯片正確地執(zhí)行相應(yīng)的指令。Flash在出廠時(shí)會(huì)有壞塊[1]，壞塊是無(wú)法操作的，這對(duì)于連續(xù)大批量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)來(lái)說(shuō)有一定的難度，需要建立一套Flash空間管理方案以保證壞塊不被讀寫，提高數(shù)據(jù)讀寫的可靠性。
    用FPGA直接管理Flash不僅是一種可行的方案，而且還能精簡(jiǎn)硬件結(jié)構(gòu)。但與具有專用Flash接口的MCU或ARM等高檔嵌入式微處理器不同，F(xiàn)PGA不能通過簡(jiǎn)單的讀寫指令編程管理Flash，而必須按照時(shí)序要求對(duì)Flash的端口進(jìn)行指令和參數(shù)的具體操作。若FPGA的主狀態(tài)機(jī)直接管理Flash，將會(huì)使?fàn)顟B(tài)機(jī)的狀態(tài)數(shù)量大量增加，代碼將異常復(fù)雜，甚至無(wú)法完成設(shè)計(jì)[2][3]。
    為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)Flash控制器controller_4G08，它建立了自己的指令集，可以方便地實(shí)現(xiàn)FPGA對(duì)Flash的控制和讀寫操作。FPGA主狀態(tài)機(jī)可以在系統(tǒng)時(shí)鐘頻率下對(duì)controller_4G08發(fā)送指令，然后等待controller_4G08返回的中斷，中斷返回即表示操作完成，無(wú)需關(guān)心Flash要求的操作時(shí)序。采用這個(gè)控制器將大大簡(jiǎn)化FPGA主狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)數(shù)量，方便設(shè)計(jì)和調(diào)試，同時(shí)代碼具有很強(qiáng)的可移植性。
1 controller_4G08的設(shè)計(jì)方案
    理論上講FPGA可以直接對(duì)Flash操作，但這樣會(huì)使主狀態(tài)機(jī)狀態(tài)很多，程序繁瑣，當(dāng)需要大批量數(shù)據(jù)反復(fù)讀寫時(shí)很不方便。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)控制器controller_4G08，用這個(gè)控制器完成數(shù)據(jù)指令讀寫的時(shí)序操作。
    用controller_4G08管理Flash的系統(tǒng)框圖如圖1所示。FPGA部分有2個(gè)模塊：主狀態(tài)機(jī)和controller_4G08，它們之間的端口連接包括4 bit指令端口cmd_code_4G08、8 bit數(shù)據(jù)輸入輸出端口data_in_4G08與 data_out_4G08、中斷信號(hào)int_ctl_4G08；FPGA對(duì)K9F4G08芯片接口包括8 bit雙向數(shù)據(jù)端口data_4G08、忙標(biāo)志rb、讀使能we、寫使能re等端口。FPGA主狀態(tài)機(jī)若想對(duì)Flash進(jìn)行操作，只需要通過cmd_code_4G08向controller_4G08發(fā)指令，按照系統(tǒng)時(shí)鐘通過data_in_4G08與 data_out_4G08收發(fā)數(shù)據(jù)，然后controller_4G08會(huì)對(duì)K9F4G08執(zhí)行相應(yīng)的操作，指令執(zhí)行完之后會(huì)通過int_ctl_4G08給主狀態(tài)機(jī)一個(gè)中斷信號(hào)，告訴主狀態(tài)機(jī)執(zhí)行完畢。FPGA主狀態(tài)機(jī)不必關(guān)注Flash指令操作的時(shí)序問題，從而使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。

2 controller_4G08的指令集
    K9F4G08具有自己的指令集，以讀操作為例，其操作過程是：首先發(fā)送命令00h，再發(fā)5個(gè)周期地址，最后發(fā)送命令30h。Flash開始讀相應(yīng)的頁(yè)，此時(shí)rb信號(hào)為低(表示Flash處于busy狀態(tài))，等到rb信號(hào)為高，再按照時(shí)序改變讀使能信號(hào)，便可將1個(gè)頁(yè)的數(shù)據(jù)依次讀出[1]。
    controller_4G08根據(jù)K9F4G08的指令集建立了自己的指令集，新增了全擦、部分擦指令，并且在讀寫指令前加入了壞塊匹配功能，如表1所示。

2.1 匹配表
    Flash出廠后可能存在壞塊，使用中也有可能會(huì)再出現(xiàn)新的壞塊。制造商保證每個(gè)芯片中的壞塊不多于80個(gè)，同時(shí)保證第0個(gè)塊肯定是好的，且保證擦寫1 000次不壞[1]。當(dāng)進(jìn)行連續(xù)地址的數(shù)據(jù)讀寫時(shí)有可能遇到壞塊，壞塊無(wú)法進(jìn)行操作，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。因此必須建立一個(gè)匹配表，當(dāng)遇到壞塊時(shí)，將其匹配到好塊的地址上。
    實(shí)際的數(shù)據(jù)讀寫中只使用4 000個(gè)塊，根據(jù)這些要求設(shè)計(jì)了這樣的匹配表：長(zhǎng)度512 B，存放在第0個(gè)塊的第0個(gè)頁(yè)(B0P0)。具體內(nèi)容見表2。

    一個(gè)塊的地址用2 B的16進(jìn)制數(shù)表示。256 B可以存儲(chǔ)128個(gè)塊地址。0~255與256~512中存儲(chǔ)的塊地址是一一對(duì)應(yīng)的，當(dāng)使用到0~255中的塊地址時(shí)，需要從256~511中尋找對(duì)應(yīng)的塊地址進(jìn)行替換。
    在FPGA中生成一個(gè)512 B的ram：ram_512，專門用于存放匹配表，當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位后，狀態(tài)機(jī)會(huì)自動(dòng)將B0P0的數(shù)據(jù)讀出，并將前512 B的數(shù)據(jù)存入該ram_512中，以便后面匹配時(shí)使用[4]。
2.2 全擦與部分擦指令
    該指令用于擦除所有的塊，建立新的匹配表。由于壞塊會(huì)導(dǎo)致擦除不成功，狀態(tài)機(jī)在擦除過程中會(huì)記錄下1~4 000個(gè)塊中擦除失敗的壞塊的地址、4 000~4 095個(gè)塊中好塊的地址，先按照匹配表規(guī)定的順序?qū)懭雛am_512，全部擦除完成后將ram_512中的數(shù)據(jù)寫入B0P0。由于數(shù)據(jù)量不足2 KB，因此后面補(bǔ)零。其流程圖如圖2所示。

    部分擦除與全擦類似，執(zhí)行這條指令需要給定起始與結(jié)尾的塊地址，controller_4G08可以完成對(duì)2個(gè)塊地址之間所有塊的擦除。當(dāng)擦除過程中擦到壞塊時(shí)，狀態(tài)機(jī)會(huì)從匹配表中尋找該壞塊對(duì)應(yīng)的好塊，并擦除。若沒有尋找到該壞塊的匹配塊，則出現(xiàn)了新的壞塊，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)報(bào)錯(cuò)的標(biāo)志位，提示主狀態(tài)機(jī)需要進(jìn)行全擦，以便建立新的匹配表。
2.3 讀寫匹配
    如果遇到壞塊，會(huì)造成讀寫失敗，為了滿足大批量數(shù)據(jù)讀寫的連續(xù)性，在讀寫數(shù)據(jù)之前必須對(duì)當(dāng)前塊地址進(jìn)行匹配，這些工作由controller_4G08完成，當(dāng)主狀態(tài)機(jī)給controller_4G08發(fā)送塊地址后就會(huì)執(zhí)行。
    Flash讀寫是對(duì)頁(yè)操作的，一次2 KB。FPGA中有一個(gè)4 KB的ram：ram_4096，用來(lái)作為緩沖區(qū)存放數(shù)據(jù)。當(dāng)需要向Flash中寫入數(shù)據(jù)時(shí)，主狀態(tài)機(jī)向controller_4G08發(fā)Page_program指令，發(fā)送5 B地址，controller_4G08會(huì)自動(dòng)進(jìn)行塊地址匹配，匹配完之后會(huì)給主狀態(tài)機(jī)一個(gè)中斷信號(hào)，主狀態(tài)機(jī)收到這個(gè)信號(hào)便開始將ram_4096中的數(shù)據(jù)發(fā)給controller_4G08，之后等待中斷，收到中斷說(shuō)明寫指令執(zhí)行成功。
    當(dāng)需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，主狀態(tài)機(jī)向controller_4G08發(fā)Page_read指令，發(fā)送5字節(jié)地址，controller_4G08會(huì)自動(dòng)進(jìn)行塊地址匹配及Flash的頁(yè)讀操作，等中斷一到便開始接收來(lái)自controller_4G08的數(shù)據(jù)并存至ram_4096中。
    controller_4G08中有一個(gè)存放上次塊地址的寄存器，每次進(jìn)行讀寫操作時(shí)，會(huì)將當(dāng)前塊地址與上次的塊地址進(jìn)行比較，若相同則說(shuō)明是好塊，可以讀寫；若不同則需要進(jìn)行匹配。狀態(tài)機(jī)會(huì)從ram_512中尋找該塊是否為壞塊，進(jìn)行一系列處理。與擦除指令一樣，當(dāng)讀寫操作遇到新的壞塊時(shí)，也會(huì)向系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)。匹配流程圖如圖3所示。

3 controller_4G08主狀態(tài)機(jī)
    圖4是主狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，系統(tǒng)上電復(fù)位后，主狀態(tài)機(jī)將進(jìn)入等待使能信號(hào)狀態(tài)。收到使能信號(hào)后，主狀態(tài)機(jī)會(huì)從cmd_code_4G08中讀取操作碼，然后啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的子狀態(tài)機(jī)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作。子狀態(tài)機(jī)執(zhí)行完畢以后就會(huì)通過int_ctl_4G08發(fā)送給主狀態(tài)機(jī)一個(gè)中斷信號(hào)，同時(shí)將執(zhí)行結(jié)果返回。主狀態(tài)機(jī)收到中斷信號(hào)后，又進(jìn)入空閑狀態(tài)等待下一個(gè)使能信號(hào)。這樣設(shè)計(jì)的主狀態(tài)機(jī)隨時(shí)都可以添加新的指令，可擴(kuò)展性強(qiáng)[4-5]。

4 FPGA下裝驗(yàn)證結(jié)果
    采用FPGA開發(fā)板進(jìn)行驗(yàn)證。此開發(fā)板的硬件資源包括Cyclone的FPGA：EP1C12Q240C、3片F(xiàn)lash：K9F4G08、1片USB總線控制芯片：CH372。利用FPGA控制CH372，可以完成FPGA與PC通過USB進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)[6]。
    在PC上用VB軟件編寫了調(diào)試軟件[7]，利用該軟件可以通過USB口向FPGA發(fā)送指令，從而完成對(duì)任意Flash頁(yè)的讀、寫及全擦。
    首先進(jìn)行Flash全擦，讀取B0P0即可看到匹配表。從匹配表中找到一個(gè)壞塊的地址對(duì)其寫入2 KB的數(shù)據(jù)，然后斷電再上電，讀取該壞塊地址，比較寫入與讀出的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)完全一致，從而驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的壞塊管理和壞塊匹配方法的正確性。通過軟件操作，對(duì)普通好塊的讀寫也是正確的，這里就不再說(shuō)明了。
    本文用FPGA主狀態(tài)機(jī)直接管理controller_4G08、controller_4G08控制芯片的設(shè)計(jì)方案可以減少主狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)數(shù)量，使FPGA很方便地實(shí)現(xiàn)Flash控制功能，設(shè)計(jì)更加容易實(shí)現(xiàn)，具有較強(qiáng)的可復(fù)用性與移植性。同時(shí)建立了一套完善的Flash文件管理機(jī)制。目前該控制器模塊已經(jīng)應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集回放系統(tǒng)中[8-9]。
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