基于DSP PNX1501的NandFlash在線(xiàn)燒錄系統設計

隨著(zhù)電子產(chǎn)品市場(chǎng)的不斷擴大，閃存器無(wú)疑將獲得極大的增長(cháng)。這種增長(cháng)在很大程度上取決于存儲器的非易失性、低功耗、高密度和重量輕等特點(diǎn)。多項優(yōu)點(diǎn)集于一身使得閃存器在移動(dòng)電子和嵌入式領(lǐng)域中得到了極大的應用。而nand-Flash價(jià)格便宜量又足，性?xún)r(jià)比也很高，且十分輕便，抗震性也很不錯，很適合用來(lái)做數碼產(chǎn)品，現在的單片nandflash芯片的存儲容量已經(jīng)可以做到4 GB。很難想像，在一個(gè)大小只有12×20×1.2mm的芯片里可以做到如此的容量。然而，由于Flash管腳多、體積小、一但使用后拆卸很不方便，因此，開(kāi)發(fā)在線(xiàn)燒錄系統也就成為嵌入式開(kāi)發(fā)領(lǐng)域不可缺少的一步。

1 NandFlash簡(jiǎn)介

NOR和NAND是現在市場(chǎng)上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。Intel于1988年首先開(kāi)發(fā)出NOR flash技術(shù)，徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統天下的局面。緊接著(zhù)，1989年，東芝公司發(fā)表了NAND flash結構，該結構強調降低每比特的成本和提供更高的性能，且可象磁盤(pán)一樣通過(guò)接口輕松升級。NandFlash作為高數據存儲密度的理想解決方案，可以達到高存儲密度，并且寫(xiě)入和擦除的速度也很快。而其應用NAND的困難在于flash的管理問(wèn)題和需要特殊的系統接口，Nand-Flash器件使用復雜的I／O口來(lái)串行存取數據，各個(gè)產(chǎn)品或廠(chǎng)商的方法可能各不相同。它用8個(gè)引腳來(lái)傳送控制、地址和數據信息。NandFlash的讀、寫(xiě)操作采用512字節的塊，這有點(diǎn)像硬盤(pán)管理的此類(lèi)操作。這樣，基于NandFlash的存儲器就很自然地可以取代硬盤(pán)或其他塊設備，因為它也可以對稱(chēng)為塊的存儲器單元塊進(jìn)行擦寫(xiě)和再編程。任何flash器件的寫(xiě)入操作只能在空或已擦除的單元內進(jìn)行，所以，在大多數情況下，在進(jìn)行寫(xiě)入操作之前必須先執行擦除(在NandFlash閃存中每個(gè)塊的最大擦寫(xiě)次數是一百萬(wàn)次)?？偠灾?，現在市面上常見(jiàn)的優(yōu)盤(pán)、MP3和MP4等數碼設備的存儲系統都是采用NandFlash存儲芯片來(lái)實(shí)現的。

2 在線(xiàn)燒錄系統構架

本文介紹的整個(gè)燒錄系統由三部分組成，其中PC端通過(guò)PCI總線(xiàn)提供待燒錄數據并負責控制PNX1051 DSP，而DSP則負責解析，以將上端PC傳送的命令和數據通過(guò)控制GPIO管腳來(lái)控制NandFlash的通信時(shí)序以及燒錄的實(shí)現。圖1所示是該燒錄系統的系統結構框圖。

PNX1501是飛利浦公司推出的一款音視頻處理芯片，該芯片的工作主頻為300 MHz，并帶有豐富的通信接口，可支持DDR、SDRAM、Nand-Flash、NorFlash和IDE等，此外，它還有30多個(gè)GPIO腳可以作為普通IO對外圍芯片進(jìn)行控制。本系統只用于實(shí)現對NandFlash裸片的燒寫(xiě)，因而不使用其自帶NandFlash接口，而采用GPIO直接控制，這樣在時(shí)序和邏輯上更加靈活。DSP與計算機之間的通信通過(guò)PCI總線(xiàn)實(shí)現，此外，DSP外擴有32MB DDR，該NandFlash用GPIO0～GPIO7作為數據口，GPIO8～GPIO12作為控制信號腳。對于市場(chǎng)上的專(zhuān)用燒錄器件而言，其燒錄速度的瓶頸在于數據傳輸。目前，大多數燒錄器的數據傳輸速度都很低且自身緩存很小。燒錄過(guò)程中需要與PC頻繁進(jìn)行數據通信，故在燒錄比較大的文件系統時(shí)，需要花費很長(cháng)的時(shí)間，而且操作極為復雜，更主要的是不能在線(xiàn)燒寫(xiě)，一但制成成品而需要更新時(shí)，就必須將Flash芯片拆卸下來(lái)，而對于本系統而言，PCI的傳輸帶寬可以達到133 MB／s，即使是很大的文件系統，也能很快傳輸完畢，此外，由于是在線(xiàn)燒錄，不需要對Flash進(jìn)行拆卸，因此，對于產(chǎn)品的更新極為方便。本系統中選用的HY27US08121M NandFlash為三星公司生產(chǎn)的一款64MB Flash，該器件的塊擦除時(shí)間為2ms，頁(yè)寫(xiě)入時(shí)間為0.5 ms，可以實(shí)現高速讀寫(xiě)。

3 系統軟件

目前市場(chǎng)上Flash的存儲空間均以塊為單位進(jìn)行管理，每一塊大小為32頁(yè)，每頁(yè)包含512字節的有效數據空間和16字節的Spare空間，其中有效數據用來(lái)存放實(shí)際數據，Spare區間則用來(lái)存放有效數據的附加描述信息(ECC，壞塊信息、索引編號等等)。不同的文件系統有各自不同的數據結構，其中最主要的兩部分為ECC和壞塊信息。壞塊信息通常用該塊的第0頁(yè)或第1頁(yè)的Spare區第6字節表示(0xFF為有效，其余為無(wú)效)，ECC則是對全部有效數據進(jìn)行一系列的異或校驗后得出的校驗值，通常為3字節(512字節校驗)或6字節(256字節校驗)。由于制造工藝的原因，Nand-Flash在生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì )產(chǎn)生壞塊，而對于壞塊而言，存儲信息就可能會(huì )丟失，因而不能使用。每塊Flash在出廠(chǎng)時(shí)已經(jīng)把原始的壞塊信息寫(xiě)入每塊的第0頁(yè)和第1頁(yè)的Spare區，在擦除時(shí)一定要先檢查是否為壞塊，否則就會(huì )把壞塊信息一并擦除(再也無(wú)法恢復)。此外，為了保證存儲信息的可靠性，在從NandFlash中讀取數據時(shí)還可以引入ECC校驗，并對讀取的每頁(yè)512字節數據計算新的ECC，同時(shí)和該頁(yè)Spare區存儲的ECC進(jìn)行比較，這樣，可以糾正1 Bit位翻轉，或檢測2 Bit以上的翻轉。

本系統中的燒錄文件按照飛利浦的協(xié)議采用6字節的ECC，由于NandFlash以塊和頁(yè)來(lái)管理數據，因此，對于PC端，首先應將數據按照Nand-Flash結構進(jìn)行映射，其代碼如下：

之后便可將燒錄文件數據填入DataBuf中，每填完512字節后計算ECC和其它Spare區間內容，填滿(mǎn)32頁(yè)就可開(kāi)辟新的數據結構并掛入鏈表中。

PC和DSP通信是該系統的關(guān)鍵。設計時(shí)可以采用消息方式，也可以在接收端DSP的外掛DDR中開(kāi)辟一段共享區問(wèn)，然后由PC直接將數據寫(xiě)入，再發(fā)送命令進(jìn)行燒錄。本系統采用第二種方式。對于飛利浦公司的DSP而言，該DSP在驅動(dòng)中已經(jīng)將其全部DDR空間映射到PC的物理空間了，因而可直接在驅動(dòng)SDK中增加簡(jiǎn)單接口函數，以將有DSP開(kāi)辟的共享區間的地址通過(guò)消息方式傳送給PC，這樣，PC就能直接對該區問(wèn)進(jìn)行讀寫(xiě)了。該操作的具體代碼如下：