大容量閃存器件K9KAG08UOM與DSP的接口設(shè)計
前言
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、各種導(dǎo)引頭及空間飛行器等測試和記錄應(yīng)用系統(tǒng)，都需要自主、實時、可靠存儲大量的關(guān)鍵信息，并保證即使整個系統(tǒng)掉電，所采集到的數(shù)據(jù)仍能長時間保持不丟失，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢，便于數(shù)據(jù)分析。NAND Flash閃速存儲器(簡稱閃存)以其掉電非易失、功耗低、壽命長、容量大、升級容易等獨有的特點迅速成為數(shù)據(jù)存儲的最佳選擇。
某型激光陀螺慣導(dǎo)單元需要在湖試和海試試驗過程中記錄大量導(dǎo)航參數(shù)，為了便于在試驗結(jié)束后有效分析數(shù)據(jù)。這里提出一種基于大容量閃存器件K9KAG08UOM與DSP的接口設(shè)計方案。在激光慣導(dǎo)的計算機板上集成了一片NAND Flash閃速存儲器，根據(jù)試驗的次數(shù)和每個航次存儲數(shù)據(jù)量的大小，選用SAMSUNG公司的K9KAG08UOM存儲器；為滿足導(dǎo)航控制的周期和算法的復(fù)雜程度，選用TI公司的浮點DSPTMS320C6713B作為主控處理器。TMS320C6713B的主頻可達(dá)300 MHz，浮點運算速度可達(dá)1．8 GFLO／S，是目前運算速度最快的浮點器件之一，已成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的主流處理器。其中NAND Flash與DSP的接口設(shè)計是整個計算機板設(shè)計的關(guān)鍵部分，這里詳細(xì)介紹大容量NAND Flash與DSP接口設(shè)計的硬件接口電路和軟件實現(xiàn)方法。
2 大容量閃存K9KAG08UOM簡介
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(jié)(2 Gx8 bit)；可將數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用為8條I／O線。并分別提供命令控制信號線；命令、地址和數(shù)據(jù)信息均通過8條I／O線傳輸，不會因存儲容量的增加而增加引腳數(shù)，從而極大方便系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品升級，而無需更改外部硬件連接，因此成為嵌入式系統(tǒng)中實時存儲大容量數(shù)據(jù)的最佳選擇。
I／O0～I(xiàn)／O7：8根地址、數(shù)據(jù)和命令復(fù)用信號。用于輸入命令、數(shù)據(jù)、地址及輸出數(shù)據(jù)。
CE：片選信號。用于選擇控制器件。
WE：寫使能信號。通過該端口可在寫脈沖的上升沿鎖存指令、地址和數(shù)據(jù)。
RE：讀使能信號。在讀信號的下降沿，輸出數(shù)據(jù)有效，并可累加其內(nèi)部數(shù)據(jù)地址。
CLE：命令鎖存使能信號。CLE為高電平時，命令通過I／O端口線在寫信號的上升沿被鎖存入命令寄存器。
ALE：地址鎖存信號。在寫信號的上升沿且地址鎖存信號為高電平時，地址被鎖存。
WP：寫保護信號。WP為低電平時，禁止寫或擦除操作。
R/B：準(zhǔn)備就緒或忙輸出顯示信號，當(dāng)R／B為低電平時，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信號自動返回至高電平。
3 硬件接口設(shè)計
3．1 計算機板設(shè)計方案
激光陀螺慣導(dǎo)計算機板以CPU為核心，完成數(shù)據(jù)的采集、運算、通信、數(shù)據(jù)存儲等任務(wù)。計算機板的設(shè)計原理如圖2所示。
計算機板主要包括：核心CPU完成導(dǎo)航計算及對外圍接口的管理與控制等：監(jiān)控與導(dǎo)航Flash完成程序的自主加載引導(dǎo)；NAND Flash完成試驗數(shù)據(jù)的記錄與下載；FPGA輔助完成A／D轉(zhuǎn)換時序控制、總線譯碼控制、開關(guān)電路控制、分頻及脈沖計數(shù)等功能：4通道串行控制器 TL16C754控制4個通道串口。
主機CPU選用DSP器件 TMS320C6713B，其內(nèi)含浮點數(shù)值處理器，支持64位浮點運算，內(nèi)部RAM容量為256 K字節(jié)，主頻最高可達(dá)300 MHz，帶有的鎖相環(huán)電路使其能夠通過軟件編程設(shè)置實際工作頻率。
根據(jù)系統(tǒng)時序控制和計數(shù)等功能需要邏輯門的大?。瓼PGA選用ACTEL公司的APA300。該器件內(nèi)部自帶ROM，上電后自主運行，無需外部ROM引導(dǎo)，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(nèi)部有4個并行的串行通信控制器，內(nèi)部白帶FIFO模式，與DSP無縫接口，使用靈活方便，滿足系統(tǒng)設(shè)計需要。
3．2 NAND Flash與DSP硬件接口設(shè)計
大容量閃存NAND Flash與DSP之間的接口設(shè)計是CPU板設(shè)計的關(guān)鍵。DSP主要通過EMIF外部存儲器接口訪問片外存儲器，TMS320C6713B可與大多數(shù)的同步存儲器和異步存儲器靈活配置，使用簡單方便。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、32位數(shù)據(jù)線、4個片選控制線及讀寫控制信號線。4個片選信號分別對應(yīng)4個存儲空間，CE3對應(yīng)的地址空間為OxB0000000-OxBFFFFFFF，設(shè)計中通過地址譯碼實現(xiàn)地址空間的分隔，其中大容量閃存器件K9KAG08UOM的片選面對應(yīng)的地址為OxB0400000。
K9KAG08UOM無地址線，命令、地址和數(shù)據(jù)信息均通過I／00～I(xiàn)／07傳輸。雖然K9KAG08UOM的容量達(dá)到2 G字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出TMS320C6713B存儲區(qū)域CE3的可尋址容量256 M字節(jié)，但由于訪問NAND Flash的地址是通過I／O端口輸入，無需通過地址線尋址，因此不用考慮邏輯存儲空間與實際物理空間的映射問題，簡化了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，無需電平轉(zhuǎn)換。設(shè)計中K9KAG-08UOM的ALE和CLE兩個信號分別由DSP的最低兩位地址EA3和EA2控制。DSP的低8位數(shù)據(jù)線直接與NAND Flash的I／00～I(xiàn)／07相連。DSP的通用輸人輸出端口GP3接R/B，用于監(jiān)測NAND Flash的工作狀態(tài)。當(dāng)R/B處于低電平時，表示有編程、擦除或隨機讀操作正在進(jìn)行；當(dāng)R/B處于高電平時，表示操作已經(jīng)完成。K9KAG08UOM的讀寫控制信號RE和WE由DSP的讀寫控制信號ARE和AWE和譯碼產(chǎn)生的片選信號CE通過邏輯或得到，只有當(dāng)DSP的讀寫控制信號和片選同時有效即為低電平時才能對K9KAG08UOM進(jìn)行讀寫操作。
該硬件接口設(shè)計利用DSP的地址線EA3、EA2分別控制NAND Flash的命令鎖存ALE和地址鎖存CLE信號，此時對K9KAG08UOM的訪問相當(dāng)于訪問地址分別為OxB0400002、OxB0400001和OxB0400000的3個端口．分別對應(yīng)K9KAG08UOM的地址端口、命令端口和數(shù)據(jù)端口。DSP對K9KAG08UOM的命令、地址和數(shù)據(jù)操作可通過不同端口進(jìn)行。簡化了對K9KAG08UOM讀寫控制和軟件編程設(shè)計的難度。
4 軟件設(shè)計
NAND Flash的基本操作主要包括：讀數(shù)據(jù)，編程(寫)數(shù)據(jù)，擦除、讀器件ID號等。NAND Flash的軟件設(shè)計主要關(guān)注以下幾個方面：
(1)讀、寫操作以頁為單位；
(2)擦除操作以塊為單位；
(3)對NAND Flash寫數(shù)據(jù)時，位數(shù)據(jù)只能由1變?yōu)?，因此對Flash寫操作前必須把寫單元所在塊擦除；
(4)NAND Flash同其他固體存儲器一樣會產(chǎn)生壞塊，如果將數(shù)據(jù)存儲在壞塊區(qū)域?qū)?dǎo)致無法正?；謴?fù)。壞塊區(qū)域一般不超過器件總?cè)萘康?‰，如果系統(tǒng)的工作狀態(tài)允許存儲的數(shù)據(jù)可以出現(xiàn)少量錯誤，比如圖像記錄功能，軟件設(shè)計時可不用標(biāo)記為壞區(qū)；如果系統(tǒng)的工作狀態(tài)不允許存儲的數(shù)據(jù)出錯，則需根據(jù)器件出廠時自帶的壞塊信息表標(biāo)記壞塊區(qū)域，以保證數(shù)據(jù)不被寫到壞塊區(qū)域。
(5)在對NAND Flash進(jìn)行擦除、編程或者讀取操作流程時，不允許有中斷信號打斷CPU的工作，否則會讀寫錯誤。在軟件設(shè)計時，如果對NAND Flash進(jìn)行存取操作，需先屏蔽中斷，讀寫操作完成后再把中斷重新打開。
NAND Flash最基本的塊擦除、頁編程時序流程如圖4和圖5所示。
5 結(jié)束語
由于NAND Flash具有非易失性、大容量、低成本、接口簡單等優(yōu)點。在組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，激光慣導(dǎo)單元及紅外導(dǎo)引頭的圖像采集等智能儀器中得到廣泛應(yīng)用。詳細(xì)介紹了大容量閃存K9KAG08UOM與TMS320C6713B的硬件接口電路和軟件程序設(shè)計，所采用的接口技術(shù)靈活、簡單、可靠，在激光慣導(dǎo)單元進(jìn)行的湖試和海試試驗中成功地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲。該接口設(shè)計方法可推廣應(yīng)用于大容量閃存器件與單片機、ARM及其他型號的DSP設(shè)計中。
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