大容量閃存器件K9KAG08UOM與DSP接口設計

　　前言

　　慣性導航系統、各種導引頭及空間飛行器等測試和記錄應用系統，都需要自主、實(shí)時(shí)、可靠存儲大量的關(guān)鍵信息，并保證即使整個(gè)系統掉電，所采集到的數據仍能長(cháng)時(shí)間保持不丟失，實(shí)現歷史數據查詢(xún)，便于數據分析。NAND Flash閃速存儲器(簡(jiǎn)稱(chēng)閃存)以其掉電非易失、功耗低、壽命長(cháng)、容量大、升級容易等獨有的特點(diǎn)迅速成為數據存儲的最佳選擇。

　　某型激光陀螺慣導單元需要在湖試和海試試驗過(guò)程中記錄大量導航參數，為了便于在試驗結束后有效分析數據。這里提出一種基于大容量閃存器件K9KAG08UOM與DSP的接口設計方案。在激光慣導的計算機板上集成了一片NAND Flash閃速存儲器，根據試驗的次數和每個(gè)航次存儲數據量的大小，選用SAMSUNG公司的K9KAG08UOM存儲器；為滿(mǎn)足導航控制的周期和算法的復雜程度，選用TI公司的浮點(diǎn)DSPTMS320C6713B作為主控處理器。TMS320C6713B的主頻可達300 MHz，浮點(diǎn)運算速度可達1．8 GFLO／S，是目前運算速度最快的浮點(diǎn)器件之一，已成為嵌入式系統設計中的主流處理器。其中NAND Flash與DSP的接口設計是整個(gè)計算機板設計的關(guān)鍵部分，這里詳細介紹大容量NAND Flash與DSP接口設計的硬件接口電路和軟件實(shí)現方法。

　　2 大容量閃存K9KAG08UOM簡(jiǎn)介

　　K9KAG08UOM是大容量、高可靠性的NAND Flash存儲器。其存儲容量為2 G字節(2 Gx8 bit)；可將數據線(xiàn)與地址線(xiàn)復用為8條I／O線(xiàn)。并分別提供命令控制信號線(xiàn)；命令、地址和數據信息均通過(guò)8條I／O線(xiàn)傳輸，不會(huì )因存儲容量的增加而增加引腳數，從而極大方便系統設計和產(chǎn)品升級，而無(wú)需更改外部硬件連接，因此成為嵌入式系統中實(shí)時(shí)存儲大容量數據的最佳選擇。

　　K9KAG08UOM引腳排列如圖1所示，其引腳功能如下：

• 　　I／O0～I／O7：8根地址、數據和命令復用信號。用于輸入命令、數據、地址及輸出數據。
• 　　CE：片選信號。用于選擇控制器件。
• 　　WE：寫(xiě)使能信號。通過(guò)該端口可在寫(xiě)脈沖的上升沿鎖存指令、地址和數據。
• 　　RE：讀使能信號。在讀信號的下降沿，輸出數據有效，并可累加其內部數據地址。
• 　　CLE：命令鎖存使能信號。CLE為高電平時(shí)，命令通過(guò)I／O端口線(xiàn)在寫(xiě)信號的上升沿被鎖存入命令寄存器。
• 　　ALE：地址鎖存信號。在寫(xiě)信號的上升沿且地址鎖存信號為高電平時(shí)，地址被鎖存。
• 　　WP：寫(xiě)保護信號。WP為低電平時(shí)，禁止寫(xiě)或擦除操作。
• 　　R/B：準備就緒或忙輸出顯示信號，當R／B為低電平時(shí)，表示有編程、擦除或隨機讀操作正在進(jìn)行，操作完成后．R/B信號自動(dòng)返回至高電平。

　　3 硬件接口設計

　　3．1 計算機板設計方案

　　激光陀螺慣導計算機板以CPU為核心，完成數據的采集、運算、通信、數據存儲等任務(wù)。計算機板的設計原理如圖2所示。

　　計算機板主要包括：核心CPU完成導航計算及對外圍接口的管理與控制等：監控與導航Flash完成程序的自主加載引導；NAND Flash完成試驗數據的記錄與下載；FPGA輔助完成A／D轉換時(shí)序控制、總線(xiàn)譯碼控制、開(kāi)關(guān)電路控制、分頻及脈沖計數等功能：4通道串行控制器 TL16C754控制4個(gè)通道串口。

　　主機CPU選用DSP器件 TMS320C6713B，其內含浮點(diǎn)數值處理器，支持64位浮點(diǎn)運算，內部RAM容量為256 K字節，主頻最高可達300 MHz，帶有的鎖相環(huán)電路使其能夠通過(guò)軟件編程設置實(shí)際工作頻率。

　　根據系統時(shí)序控制和計數等功能需要邏輯門(mén)的大?。瓼PGA選用ACTEL公司的APA300。該器件內部自帶ROM，上電后自主運行，無(wú)需外部ROM引導，可靠性高。

　　串行通信控制器選用，TI公司的TL16C754B。該器件采用3．3 V供電，功耗低，內部有4個(gè)并行的串行通信控制器，內部白帶FIFO模式，與DSP無(wú)縫接口，使用靈活方便，滿(mǎn)足系統設計需要。

　　3．2 NAND Flash與DSP硬件接口設計

　　大容量閃存NAND Flash與DSP之間的接口設計是CPU板設計的關(guān)鍵。DSP主要通過(guò)EMIF外部存儲器接口訪(fǎng)問(wèn)片外存儲器，TMS320C6713B可與大多數的同步存儲器和異步存儲器靈活配置，使用簡(jiǎn)單方便。TMS320C6713B與K9KAG08UOM的硬件接口電路如圖3所示。

　　TMS320C6713B的外部存儲器接口包括：20位地址線(xiàn)、32位數據線(xiàn)、4個(gè)片選控制線(xiàn)及讀寫(xiě)控制信號線(xiàn)。4個(gè)片選信號分別對應4個(gè)存儲空間，CE3對應的地址空間為OxB0000000-OxBFFFFFFF，設計中通過(guò)地址譯碼實(shí)現地址空間的分隔，其中大容量閃存器件K9KAG08UOM的片選面對應的地址為OxB0400000。

　　K9KAG08UOM無(wú)地址線(xiàn)，命令、地址和數據信息均通過(guò)I／00～I／07傳輸。雖然K9KAG08UOM的容量達到2 G字節，遠遠超出TMS320C6713B存儲區域CE3的可尋址容量256 M字節，但由于訪(fǎng)問(wèn)NAND Flash的地址是通過(guò)I／O端口輸入，無(wú)需通過(guò)地址線(xiàn)尋址，因此不用考慮邏輯存儲空間與實(shí)際物理空間的映射問(wèn)題，簡(jiǎn)化了DSP與NAND Flash的硬件接口。

　　TMS320C6713B和K9KAG08UOM的工作電壓均是3．3 V，因此兩者引腳可直接連接，無(wú)需電平轉換。設計中K9KAG-08UOM的ALE和CLE兩個(gè)信號分別由DSP的最低兩位地址EA3和EA2控制。DSP的低8位數據線(xiàn)直接與NAND Flash的I／00～I／07相連。DSP的通用輸人輸出端口GP3接R/B，用于監測NAND Flash的工作狀態(tài)。當R/B處于低電平時(shí)，表示有編程、擦除或隨機讀操作正在進(jìn)行；當R/B處于高電平時(shí)，表示操作已經(jīng)完成。K9KAG08UOM的讀寫(xiě)控制信號RE和WE由DSP的讀寫(xiě)控制信號ARE和AWE和譯碼產(chǎn)生的片選信號CE通過(guò)邏輯或得到，只有當DSP的讀寫(xiě)控制信號和片選同時(shí)有效即為低電平時(shí)才能對K9KAG08UOM進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

　　該硬件接口設計利用DSP的地址線(xiàn)EA3、EA2分別控制NAND Flash的命令鎖存ALE和地址鎖存CLE信號，此時(shí)對K9KAG08UOM的訪(fǎng)問(wèn)相當于訪(fǎng)問(wèn)地址分別為OxB0400002、OxB0400001和OxB0400000的3個(gè)端口．分別對應K9KAG08UOM的地址端口、命令端口和數據端口。DSP對K9KAG08UOM的命令、地址和數據操作可通過(guò)不同端口進(jìn)行。簡(jiǎn)化了對K9KAG08UOM讀寫(xiě)控制和軟件編程設計的難度。

　　4 軟件設計

　　NAND Flash的基本操作主要包括：讀數據，編程(寫(xiě))數據，擦除、讀器件ID號等。NAND Flash的軟件設計主要關(guān)注以下幾個(gè)方面：

　　(1)讀、寫(xiě)操作以頁(yè)為單位；

　　(2)擦除操作以塊為單位；

　　(3)對NAND Flash寫(xiě)數據時(shí)，位數據只能由1變?yōu)?，因此對Flash寫(xiě)操作前必須把寫(xiě)單元所在塊擦除；

　　(4)NAND Flash同其他固體存儲器一樣會(huì )產(chǎn)生壞塊，如果將數據存儲在壞塊區域將導致無(wú)法正?；謴?。壞塊區域一般不超過(guò)器件總容量的3‰，如果系統的工作狀態(tài)允許存儲的數據可以出現少量錯誤，比如圖像記錄功能，軟件設計時(shí)可不用標記為壞區；如果系統的工作狀態(tài)不允許存儲的數據出錯，則需根據器件出廠(chǎng)時(shí)自帶的壞塊信息表標記壞塊區域，以保證數據不被寫(xiě)到壞塊區域。

　　(5)在對NAND Flash進(jìn)行擦除、編程或者讀取操作流程時(shí)，不允許有中斷信號打斷CPU的工作，否則會(huì )讀寫(xiě)錯誤。在軟件設計時(shí)，如果對NAND Flash進(jìn)行存取操作，需先屏蔽中斷，讀寫(xiě)操作完成后再把中斷重新打開(kāi)。

　　NAND Flash最基本的塊擦除、頁(yè)編程時(shí)序流程如圖4和圖5所示。

　　5 結束語(yǔ)

　　由于NAND Flash具有非易失性、大容量、低成本、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在組合導航數據存儲設備，激光慣導單元及紅外導引頭的圖像采集等智能儀器中得到廣泛應用。詳細介紹了大容量閃存K9KAG08UOM與TMS320C6713B的硬件接口電路和軟件程序設計，所采用的接口技術(shù)靈活、簡(jiǎn)單、可靠，在激光慣導單元進(jìn)行的湖試和海試試驗中成功地實(shí)現了數據的存儲。該接口設計方法可推廣應用于大容量閃存器件與單片機、ARM及其他型號的DSP設計中。