基于DSP PNX1501的NandFlash在線燒錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著電子產(chǎn)品市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，閃存器無(wú)疑將獲得極大的增長(zhǎng)。這種增長(zhǎng)在很大程度上取決于存儲(chǔ)器的非易失性、低功耗、高密度和重量輕等特點(diǎn)。多項(xiàng)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(yīng)用。而nand-Flash價(jià)格便宜量又足，性價(jià)比也很高，且十分輕便，抗震性也很不錯(cuò)，很適合用來(lái)做數(shù)碼產(chǎn)品，現(xiàn)在的單片nandflash芯片的存儲(chǔ)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)在線燒錄系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)天下的局面。緊接著，1989年，東芝公司發(fā)表了NAND flash結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)降低每比特的成本和提供更高的性能，且可象磁盤一樣通過(guò)接口輕松升級(jí)。NandFlash作為高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度的理想解決方案，可以達(dá)到高存儲(chǔ)密度，并且寫入和擦除的速度也很快。而其應(yīng)用NAND的困難在于flash的管理問(wèn)題和需要特殊的系統(tǒng)接口，Nand-Flash器件使用復(fù)雜的I／O口來(lái)串行存取數(shù)據(jù)，各個(gè)產(chǎn)品或廠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(shù)據(jù)信息。NandFlash的讀、寫操作采用512字節(jié)的塊，這有點(diǎn)像硬盤管理的此類操作。這樣，基于NandFlash的存儲(chǔ)器就很自然地可以取代硬盤或其他塊設(shè)備，因?yàn)樗部梢詫?duì)稱為塊的存儲(chǔ)器單元塊進(jìn)行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行，所以，在大多數(shù)情況下，在進(jìn)行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除(在NandFlash閃存中每個(gè)塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬(wàn)次)。總而言之，現(xiàn)在市面上常見(jiàn)的優(yōu)盤、MP3和MP4等數(shù)碼設(shè)備的存儲(chǔ)系統(tǒng)都是采用NandFlash存儲(chǔ)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2 在線燒錄系統(tǒng)構(gòu)架

本文介紹的整個(gè)燒錄系統(tǒng)由三部分組成，其中PC端通過(guò)PCI總線提供待燒錄數(shù)據(jù)并負(fù)責(zé)控制PNX1051 DSP，而DSP則負(fù)責(zé)解析，以將上端PC傳送的命令和數(shù)據(jù)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(xiàn)。圖1所示是該燒錄系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(duì)外圍芯片進(jìn)行控制。本系統(tǒng)只用于實(shí)現(xiàn)對(duì)NandFlash裸片的燒寫，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(jì)算機(jī)之間的通信通過(guò)PCI總線實(shí)現(xiàn)，此外，DSP外擴(kuò)有32MB DDR，該NandFlash用GPIO0～GPIO7作為數(shù)據(jù)口，GPIO8～GPIO12作為控制信號(hào)腳。對(duì)于市場(chǎng)上的專用燒錄器件而言，其燒錄速度的瓶頸在于數(shù)據(jù)傳輸。目前，大多數(shù)燒錄器的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信，故在燒錄比較大的文件系統(tǒng)時(shí)，需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，而且操作極為復(fù)雜，更主要的是不能在線燒寫，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(duì)于本系統(tǒng)而言，PCI的傳輸帶寬可以達(dá)到133 MB／s，即使是很大的文件系統(tǒng)，也能很快傳輸完畢，此外，由于是在線燒錄，不需要對(duì)Flash進(jìn)行拆卸，因此，對(duì)于產(chǎn)品的更新極為方便。本系統(tǒng)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)寫入時(shí)間為0.5 ms，可以實(shí)現(xiàn)高速讀寫。

3 系統(tǒng)軟件

目前市場(chǎng)上Flash的存儲(chǔ)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(jié)的有效數(shù)據(jù)空間和16字節(jié)的Spare空間，其中有效數(shù)據(jù)用來(lái)存放實(shí)際數(shù)據(jù)，Spare區(qū)間則用來(lái)存放有效數(shù)據(jù)的附加描述信息(ECC，壞塊信息、索引編號(hào)等等)。不同的文件系統(tǒng)有各自不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，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(qū)第6字節(jié)表示(0xFF為有效，其余為無(wú)效)，ECC則是對(duì)全部有效數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的異或校驗(yàn)后得出的校驗(yàn)值，通常為3字節(jié)(512字節(jié)校驗(yàn))或6字節(jié)(256字節(jié)校驗(yàn))。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(duì)于壞塊而言，存儲(chǔ)信息就可能會(huì)丟失，因而不能使用。每塊Flash在出廠時(shí)已經(jīng)把原始的壞塊信息寫入每塊的第0頁(yè)和第1頁(yè)的Spare區(qū)，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(fù))。此外，為了保證存儲(chǔ)信息的可靠性，在從NandFlash中讀取數(shù)據(jù)時(shí)還可以引入ECC校驗(yàn)，并對(duì)讀取的每頁(yè)512字節(jié)數(shù)據(jù)計(jì)算新的ECC，同時(shí)和該頁(yè)Spare區(qū)存儲(chǔ)的ECC進(jìn)行比較，這樣，可以糾正1 Bit位翻轉(zhuǎn)，或檢測(cè)2 Bit以上的翻轉(zhuǎn)。

本系統(tǒng)中的燒錄文件按照飛利浦的協(xié)議采用6字節(jié)的ECC，由于NandFlash以塊和頁(yè)來(lái)管理數(shù)據(jù)，因此，對(duì)于PC端，首先應(yīng)將數(shù)據(jù)按照Nand-Flash結(jié)構(gòu)進(jìn)行映射，其代碼如下：

之后便可將燒錄文件數(shù)據(jù)填入DataBuf中，每填完512字節(jié)后計(jì)算ECC和其它Spare區(qū)間內(nèi)容，填滿32頁(yè)就可開(kāi)辟新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并掛入鏈表中。

PC和DSP通信是該系統(tǒng)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)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(qū)問(wèn)，然后由PC直接將數(shù)據(jù)寫入，再發(fā)送命令進(jìn)行燒錄。本系統(tǒng)采用第二種方式。對(duì)于飛利浦公司的DSP而言，該DSP在驅(qū)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(qū)動(dòng)SDK中增加簡(jiǎn)單接口函數(shù)，以將有DSP開(kāi)辟的共享區(qū)間的地址通過(guò)消息方式傳送給PC，這樣，PC就能直接對(duì)該區(qū)問(wèn)進(jìn)行讀寫了。該操作的具體代碼如下：

這樣，當(dāng)DSP接到PC發(fā)送的燒錄命令時(shí)，系統(tǒng)便可讀取共享緩沖區(qū)的內(nèi)容并開(kāi)始燒錄Flash。其具體的流程如圖2所示，部分函數(shù)源碼如下：

設(shè)計(jì)時(shí)的具體時(shí)序可參照芯片資料所提供的時(shí)序電路來(lái)控制MMIO寄存器以實(shí)現(xiàn)GPIO的控制，在此不再贅述。需要注意的是，NandFlash在燒錄或擦除過(guò)程中，可能會(huì)失敗并產(chǎn)生壞塊。對(duì)于壞塊的處理。不同系統(tǒng)有不同的方法，主要有直接Skip(跳過(guò))和Reserved Block Area (使用保留塊)等，本系統(tǒng)使用前一種方式。此外，為了可靠起見(jiàn)，在時(shí)間允許的情況下還應(yīng)對(duì)燒錄成功的塊數(shù)據(jù)進(jìn)行ECC校驗(yàn)，即讀取全部數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算ECC并和燒錄之前計(jì)算的ECC進(jìn)行比較，以判斷是否發(fā)生了位翻轉(zhuǎn)，從而確定燒錄是否正確。如果發(fā)生兩位以上的翻轉(zhuǎn)，則說(shuō)明該塊燒錄錯(cuò)誤，應(yīng)重新選擇新塊燒錄并將原塊標(biāo)記為壞塊。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)DSP外部Flash編程雖然不是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，但是它在整個(gè)DSP嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程之中卻起著至關(guān)重要的作用，如何方便、快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)引導(dǎo)文件(BootLodaer)和文件系統(tǒng)的燒錄，更是直接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)與更新的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)本系統(tǒng)可以迅速快捷地實(shí)現(xiàn)前期所有啟動(dòng)文件的燒錄，實(shí)際測(cè)試證明：燒錄40 MB的文件系統(tǒng)只需要不到3分鐘，這一點(diǎn)無(wú)論從速度上，還是經(jīng)濟(jì)上都優(yōu)于通用編程器件。