大容量NANDFLASH在ARM嵌入式系统中的设计与实现 mp3音乐, 数码相机, 播放器, 移动电话, 摄像机

yuyang911220

1引言
      随着嵌人式系统在数码相机、数字摄像机、移动电话、mp3音乐播放器等移动设备中越来越广泛的应用，FLASH存储器已经逐步取代其他半导体存储元件，成为嵌入式系统中主要数据和程序载体。FLASH存储器又称闪存，是一种可在线多次擦除的非易失性存储器，即掉电后数据不会丢失。FLASH存储器还具有体积小、功耗低、抗振性强等优点，是嵌入式系统的首选存储设备。
      NAND和NORFLASH是现在市场上两种主要的非易失闪存芯片，这两种类型的FLASH区别在于：
      NOR类型FLASH可以按照字节访问，所以存放在FLASH里的程序可以直接执行，而NAND类型FLASH是串行访问的，需要先把程序读取到内存然后再从内存中运行。与NOR型相比，NAND型闪存的优点是容量大，但是NAND型的速度比较慢，因为他的I/O端口只有8(或16)个，要完成地址和数据的传输就必需让这些信号轮流传送。NAND型FLASH具有极高的单元密度，容量可以比较大，价格相对便宜。本文采用Samsung公司的NAND型FLASH存储设备K9F2808U0C。
      2系统硬件结构及接口电路
      2.1ARM芯片介绍
      ARM公司自1990年正式成立以来，在32位RISC(ReducedInstructionSetComputer)CPU开发领域不断取得突破，目前已经占有75％以上的32位RISC嵌入式产品市场。在低功耗、低成本的嵌人式应用领域确立了市场领导地位。
      PHILIPS公司的LPC2210是基于一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，片内128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟频率下运行。LPC2210极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC以及9个外部中断使其特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和POS机。由于内置了宽范围的串行通信接口，他们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软MODEM以及其他各种类型的应用。
      2.2K9F2808U0C芯片的结构和特点
      K9F2808U0C是Samsung公司生产的NAND型FLASH存储器。

      K9F2808U0C存储容量为132Mb，其中主数据区为128Mb，辅助数据区为4Mb，工作电压为2.7～3.6V,I/O端口宽度为8b。片内写控制自动实现编程和擦除所有功能，包括内部校验、脉冲的周期和数据冗余。
      芯片的存储空间是按照块和页的概念来组织的，一个芯片分为1024个块，每个块有32页，每一页有528B。528B中分为512B的数据区和16个字节的空闲区，空闲区用于存放ECC代码、坏块信息和文件系统相关代码。一个528B的数据寄存器作为数据缓冲单元，用来实现I/0缓冲和存储器之间的数据传输。
      使用NAND型FLASH的关键技术之一是存储空间的管理。Samsung公司的NANDFLASH存储器有一些初始无效块(包含一个或多个坏位的存储块)，制造商不保证这些块的可靠性。NANDFLASH容许成品中有坏块存在，这是采用NAND技术所特有的现象。坏块的存在并不影响有效块的性能。但是，系统级的设计必须能够用地址映射把这些坏块屏蔽掉。芯片在出厂时，除保存坏块信息的区域外，其他部分一律被擦除(值为0xFF)，对坏块的读操作是允许的，但不推荐进行写和擦除操作，以免由于结构方面的原因使邻近的块也失效。系统设计时必须根据初始的坏块信息识别出坏块，并建立坏块列表。进行写或擦除操作时将欲操作块的地址与坏块地址表的地址相比较，若是坏块则应跳过。为了提高存储空间的效率，单个位数据错误引起的读写失败都可以用ECC(校错和纠错)方法处理。
      芯片在使用过程中，可能有新坏块的产生，为了系统的可靠性，必须对此情况加以考虑。在数据写入或块擦除操作后，如果读状态寄存器出现错误，则表示块内有坏页存在，也即表明此块已坏，因为块内坏页的存在并不影响其他页的读写，这时可采用块替换操作来把页内有用数据转移到其他空闲块内，并把坏块信息存入坏块表中。
      2.3K9F2808U0C与LPC2210的连接
      K9F2808U0C与LPC2210的连接如图3所示，使用8位数据总线D0～D7与K9F2808U0C的I/O0～I/O7引脚相连，使用数据总线来发送地址、数据和命令。K9F2808U0C的片选信号由CS3控制，即使用LPC2210的外部存储器接口的Bank3地址空间，而CLE，ALE信号分别由A0，A1控制。
      3读写操作流程

      首先向I/O写人编程指令80H，然后使用3个时钟周期写入目的地址(A0～A23)，接着向I/O写入数据。数据发送完成后，写入指令10H启动页编程，此时芯片内部的逻辑电路将进行页擦除和数据编程操作。微控制器可以读状态指令70H来读取状态寄存器的值，若D6位为1，则表明写操作完成。
      写操作完成后，通过读取状态寄存器的D0位判断编程是否成功，若D0位为0，则表示编程成功；否则表示编程失败。
      K9F2808U0C的块擦除和读数据操作如图5所示：对于K9F2808U0C的擦除是以块为单位，擦除时首先写入块擦除命令60H，然后输入要擦除块的地址，再写入指令DoH启动块擦除。微控制器可以读取状态指令70H来读取状态寄存器的值，若D6位为1，则表明擦除完成。写操作完成后，通过读取状态寄存器的D0位来判断擦除是否成功。
      对于K9F2808U0C的读数据操作是以页为单位，读数据时首先写入读数据命令00H，然后输入要读取页的地址，接着从数据寄存器中读取数据，最后进行ECC校验。

      4在μC/OS实时操作系统下的实现和性能验证
      μC/OS是一个多任务的实时操作系统，专为嵌入式应用而设计，可用于各类8位、16位和32位单片机或DSP，已有10余年应用史，其安全性和实时性得到了广泛的认同，在嵌入式领域发挥着重要作用。该操作系统公开了他的实时性内核源码，同时提供了较多的应用接口函数。通过在其实时内核的基础上做少量的修改，便可将对NANDFLASH的操作移植到μC/OS中，利用OSTa-skCreateExt()函数创建任务并检查堆栈空间，利用PC-ElapsedInit()初始化时间测量功能。共建立5个任务，分别为空闲任务、统计任务、页编程任务、块擦除任务和读数据任务。

      5结语
      以SamsungNANDFLASH器件K9F2808U0C为例，通过PHILIPSLPC2210实现对存储器的器件操作，以μC/OS实时操作系统为平台完成测试实验，将得到的实验结果与Satnsung公司的K9F2808UOCFLASHMemory手册进行对比，表明该设计满足设计要求，达到预期目标。