閃速存儲器在圖像采集系統中的應用

關(guān)鍵詞：閃速存儲器 K9F1208UOM 圖像采集 圖像存儲

引言

圖像的保存和恢復是一個(gè)圖像采集系統所不可或缺的功能之一。保存圖像信息所用的介質(zhì)或設備有很多種，如常用的電影膠片、膠卷、硬盤(pán)、軟盤(pán)、光盤(pán)、各種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)RAM、ROM以及固態(tài)存儲器件等。其中，Flash ROM以其內容掉電不消失、價(jià)格低廉、控制方法靈活、與微處理器接口方便等特點(diǎn)，越來(lái)越多地應用在圖像采集與存儲系統中，如常見(jiàn)的數碼像機。因此，研究Flash ROM在圖像采集記錄系統中的應用技術(shù)有著(zhù)重要的意義。

1 閃速存儲器的分類(lèi)和發(fā)展現狀

目前常見(jiàn)的圖像采集記錄系統如數碼像機、數碼攝像機中，通常采用半導體存儲器作為其記憶部分。半導體存儲器通?？煞譃殡S機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM_。RAM的內容可以隨時(shí)刷新，訪(fǎng)問(wèn)速度快，但是掉電后其存儲的信息會(huì )丟失；ROM則具有掉電不丟失數據的特性。通常ROM又可分為固定ROM、PROM、EPROM和EEPROM。

圖1 K9F1208UOM引腳定義

閃速存儲器（Flash ROM）屬于半導體存儲器的一種，屬于非易失性存儲器NVM（Non-Volatile Memory）。它采用類(lèi)似于EPROM的單管疊柵結構的存儲單元揣怕，是新一代用電信號擦除的可編程ROM；它既吸收了EPROM結構簡(jiǎn)單、編程可靠的優(yōu)點(diǎn)，又具有EPROM用隨道效應擦除的快捷特性，集成度可做得很高，因而在便攜式數據存儲和各種圖像采集記錄系統中得到了廣泛的應用。

全球閃速存儲器的主要供應商有AMD、Atmel、Fujistu、Hitachi、Hyundai、Intel、Micron、Mitsubishi、Samsung、SST、Sharp、Toshiba。由于各自技術(shù)架構的不同，分為幾大陣營(yíng)，因此閃速存儲也按其采用技術(shù)的不同而分為幾大類(lèi)：

*NOR技術(shù)――代表公司Intel，特點(diǎn)為擦除和寫(xiě)入慢、隨機讀快；

*NAND技術(shù)――代表公司Samsung，特點(diǎn)為隨機讀寫(xiě)慢、以頁(yè)為單位連續讀寫(xiě)快；

*AND技術(shù)――代表公司Hitachi，特點(diǎn)為低功耗，價(jià)格高。

*由EEPROM派生的閃速存儲器。特點(diǎn)：介于NOR與EEPROM之間。

存儲器的發(fā)展具有容量更大、體積更小、價(jià)格更低的趨勢，這在閃速存儲器行業(yè)表現得淋漓盡致。隨著(zhù)單導體制造工藝的展，主流閃速存儲器廠(chǎng)家采用0.18μm，甚至0.15μm的制造工藝。

借助于先進(jìn)工藝的優(yōu)勢，閃速存儲器的容量可以變大：NOR技術(shù)將出現256Mb的器件，NAND和AND技術(shù)已經(jīng)有16Gb的器件。

芯片的封裝尺寸更?。簭淖畛鮀IP封裝，到PSOP、SSOP、TSOP封裝，再到BGA封裝，閃速存儲器已經(jīng)變得非常纖細小巧。

工作電壓更低：從最初12V的編程電壓，一步步下降到5V、3.3V、2.7V、1.8V單電壓供電；符合國際上低功耗的潮流，更促進(jìn)了便攜式產(chǎn)品的發(fā)展。

位成本大幅度下降：采用NOR技術(shù)的Intel公司的28F128J3價(jià)格為25美元，NAND技術(shù)和AND技術(shù)的閃速存儲器已經(jīng)突破10MB 2美元的價(jià)位，性?xún)r(jià)比極高。

本文中討論的是采用NAND技術(shù)的K9F1208U0M。

圖2 AT90S8515和K9F1208UOM硬件接口原理

2 64M閃速存儲器K9F1208UOM簡(jiǎn)介

K9F1208U0M是Samsung公司生產(chǎn)的采用NAND技術(shù)的大容量、高可靠Flash存儲器。該器件采用三星公司的CMOS浮置門(mén)技術(shù)和與非存儲結構，存儲容量為64M8位，除此之外還有2048K8位的空閑存儲區。該器件采用TSSOP48封裝，工作電壓2.7～3.6V。

K9F1208U0M對528字節一頁(yè)的寫(xiě)操作所需時(shí)間典型值是200μs，而對16K字節一塊的擦除操作典型民僅需2ms。每一頁(yè)中的數據出速度也很快，平均每個(gè)字節只需50ns，已經(jīng)與一般的SRAM相當。8位I/O端口采用地址、數據和命令復用的方法。這樣既可減少引腳數，還可使接口電路簡(jiǎn)潔。片內的寫(xiě)控制器能自動(dòng)執行寫(xiě)操作和擦除功能，包括必要的脈沖產(chǎn)生，內部校驗等，完全不用外部微控制器考慮，簡(jiǎn)化了器件的編程控制難度。

2.1 器件結構

K9F1208U0M的結構如圖1所示。由以下幾部分組成：

①地址譯碼器。它是一個(gè)二維的譯碼器，A0～A7為Y方向譯碼器，A9～A25為X方向譯碼器；而A8是由命令寄存器決定的，用于選擇Flash ROM存儲器的區號。

②存儲陣列。如圖1所示，由于地址A8的不同，可以把存儲陣列分為第一和第二兩部分；同時(shí)，它還有一個(gè)空閑區，都可通過(guò)命令進(jìn)行選擇。整個(gè)存儲陣列又可分為4096塊，每一塊分為32頁(yè)，一頁(yè)包含528字節。這528字節包含第一部分的256字節和第二部分的256字節以及空閑區的16字節。

③命令寄存器。命令寄存器把輸入的命令暫存起來(lái)，根據不同的命令和控制線(xiàn)執行不同的操作。

④控制邏輯和高電壓產(chǎn)生器?？刂七壿嫯a(chǎn)生各種控制信號，用于對內部的存儲陣列緩存器等進(jìn)行合理的控制。高電壓產(chǎn)生器可以產(chǎn)生用于對存儲陣列進(jìn)行編程的高壓。

⑤I/O緩存、全局緩存及輸出驅動(dòng)。用于對輸入及輸出進(jìn)行必要的緩存，以符合時(shí)序的要求。輸出驅動(dòng)加強帶載能力。

2.2 引腳說(shuō)明

表1概要地說(shuō)明了K9F1208U0M各個(gè)引腳的功能。

表1 K9F1208U 0 引腳定義

①命令鎖存使能（CLE），使輸入的命令發(fā)送到命令寄存器。當變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，在WE上升沿命令通過(guò)I/O口鎖存到命令寄存器。

②地址鎖存使能（ALE），控制地址輸入到片內的地址寄存器中，地址是在WE的上升沿被鎖存的。

③片選使能（CE），用于器件的選擇控制。在讀操作、CE變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，器件返回到備用狀態(tài)；然而，當器件在寫(xiě)操作或擦除操作過(guò)程中保持忙狀態(tài)時(shí)，CE的變高將被忽略，不會(huì )返回到備用狀態(tài)。

④寫(xiě)使能（WE），用于控制把命令、地址和數據在它的上升沿寫(xiě)入到I/O端口；而在讀操作時(shí)必須保持高電平。

⑤讀使能（RE），控制把數據放到I/O總線(xiàn)上，在它的下降沿tREA時(shí)間后數據有效；同時(shí)使用內部的列地址自動(dòng)加1。

⑥I/O端口，用于命令、地址和數據的輸入及讀操作時(shí)的數據輸出。當芯片未選中時(shí)，I/O口為高阻態(tài)。

⑦寫(xiě)保護（WP），禁止寫(xiě)操作和擦除操作。當它有效時(shí)，內部的高壓生成器將會(huì )復位。

⑧準備/忙（R/B），反映當前器件的狀態(tài)。低電平時(shí)，表示寫(xiě)操作或擦除操作以及隨機讀正進(jìn)行中；當它變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，表示這些操作已經(jīng)完成。它采用了開(kāi)漏輸出結構，在芯片未選中時(shí)不會(huì )保持高阻態(tài)。

2.3 K9F1208U0M的接口控制方法

K9F1208U0M在應用時(shí)必須通過(guò)外部微控制器來(lái)控制其內容的讀寫(xiě)，圖2給出了K9F1208U0M與AT90S8515單片機接口的方法。

K9F1208U0M的數據總線(xiàn)與AT90S8515的數據口PA口相連，用單片機的地址高位引腳PC6作為K9F1208U0M的片選信號（CS）；PC5接K9F1208U0M的命令數據選擇端（CMD/DATA），而PC4接K9F1208U0M的地址鎖存允許端（ALE）。因此，對K0F1208U0M的訪(fǎng)問(wèn)就相當于訪(fǎng)問(wèn)地址分別為0xaf00、0x9f00、0x8f00的三個(gè)端口，分別對應K9F1208U0M的命令端口、地址端口、數據端口。因此，對于單片機而言，對K9F1208U0M的命令、地址和數據操作可通過(guò)不同的端口進(jìn)行，簡(jiǎn)化了K9F1208U0M讀寫(xiě)控制的難度。

2.4 讀寫(xiě)操作流程

圖3所示為K9F1208U0M的寫(xiě)時(shí)序流程。

由圖3可看出，進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)先要寫(xiě)入命令字80H，通知K9F1208U0M要進(jìn)行寫(xiě)操作，然后順序寫(xiě)入目的地地址和待寫(xiě)入的數據。應該注意的是，地址只需寫(xiě)入一次，便可以連續寫(xiě)入多個(gè)字節數據。地址指針的調整是由K9F1208U0M內部邏輯控制的，不用外部干預。寫(xiě)入操作是以頁(yè)為單位（1～528字節）進(jìn)行的，即每次連續寫(xiě)入能超過(guò)528個(gè)字節。這是由于K9F1208U0M的工作方式?jīng)Q定的：寫(xiě)入的數據先保存至Flash內部的頁(yè)寄存器（528字節）中，然后再寫(xiě)入存儲單元。數據寫(xiě)完之后還要給K9F1208U0M發(fā)出1個(gè)寫(xiě)操作指令10H，通知其將頁(yè)寄存器中的數據寫(xiě)入存儲單元，隨后就應該對狀態(tài)引腳進(jìn)行查詢(xún)。如果該引腳為低，表明此次寫(xiě)操作結束。最后的步驟是數據校驗，如果采用了ECC校驗模式，則此步驟可以省略。

其它操作如讀操作、擦除操作等過(guò)程均與此類(lèi)似，可參考相關(guān)的器件說(shuō)明文檔。限于篇，這里不再多述。

2.5 注意事項

在以K9F1208U0M為數據存儲介質(zhì)的系統設計中，需要注意無(wú)效塊的問(wèn)題。無(wú)效塊即包含一個(gè)和多個(gè)無(wú)效數據位的塊。由于結構方面的原因，一塊（32頁(yè)）中有一個(gè)無(wú)效位也會(huì )導致整個(gè)塊無(wú)效。因此，系統必須在寫(xiě)入數據時(shí)避開(kāi)無(wú)效塊。出廠(chǎng)時(shí)，每片K9F1208U0M的無(wú)效塊信息均保存在一個(gè)無(wú)效塊信息表中，可以根據該表中的原始無(wú)效塊信息識別無(wú)效塊的位置。在K9F1208U0M的使用過(guò)程中，應隨時(shí)對無(wú)效塊情況進(jìn)行檢查和更新，以保證無(wú)效塊表內容的準確性；同時(shí)，應該禁止任何試圖擦除無(wú)效塊信息表的操作。

3 閃速存儲器在圖像采集記錄系統中應用

圖4是一種采用閃速存儲器為圖像記錄介質(zhì)的數字圖像采集記錄系統的原理框圖。

在該系統中，通過(guò)光學(xué)鏡頭把像成在位于焦平面處的CMOS圖像傳感器（OV7620）的像面上。CMOS圖像傳感器對其進(jìn)行空閑采用并數字化以后，直接輸出分辨率為512480的8位灰度數字圖像數據。由于K9F1208U0M的讀寫(xiě)時(shí)序無(wú)法與CMOS圖像傳感器配合，因此，需要在兩者之間加一個(gè)靜態(tài)緩存。這里使用的是HM62815（5128位SRAM）。先把圖像數據保存在靜態(tài)緩存中，然后通過(guò)AVR單片機的控制，把圖像轉存到K9F1208U0M里。至于何時(shí)需要轉存，則由AVR單片機根據外部控制命令接口傳來(lái)的命令；同時(shí)，還要由CMOS圖像傳感器輸出的行場(chǎng)同步時(shí)序信號來(lái)決定。

圖像記錄保存的最終目的是要顯示出來(lái)，因此還需要把保存在閃速存儲器K9F1208U0M中的圖像數據讀出。本系統中K9F1208U0M的圖像數據是通過(guò)USB接口讀出的。采用了AVR系列的AT90S8515單片機作為USB接口控制器，負責對與上位機通信用的USB接口進(jìn)行配置及管理，此外，其主要的工作還包括對靜態(tài)緩存、K9F1208U0M等進(jìn)行讀寫(xiě)控制。在上位機中采用Visual C++語(yǔ)言編寫(xiě)相應的圖像數據采集軟件，就能夠實(shí)現通過(guò)USB總線(xiàn)對K9F1208U0M中圖像數據的讀取、顯示及保存。

該圖像采集系統輸出的數字圖像分辨率為512480，而K9F1208U0M是64M8位的閃速存儲器；因此，最多可以存儲272張圖片，并且讀寫(xiě)速度達到300kB/s，基本能夠滿(mǎn)足一般使用的要求。

4 結論

閃速存儲器是圖像采集記錄系統中的記憶部分，對它的希望就是讀寫(xiě)速度快、容量大以及操作方便。通過(guò)對Samsung公司采用NAND技術(shù)的閃速存儲器K9F1208U0M進(jìn)行的研究表明：K9F1208U0M器件與系統的接口十分簡(jiǎn)單、操作靈活方便、器件從硬件到軟件均有多種保護、數據可靠性高、使用壽命長(cháng)，為大容量固態(tài)圖像存儲器市場(chǎng)提供了最具成本效益的解決方案，因而在各種數字圖像采集和存儲應用領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。