基于DSP PNX1501的NandFlash在線燒錄系統(tǒng)解析

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(pán)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(xiě)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(xiě)操作采用512字節(jié)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(chǔ)器就很自然地可以取代硬盤(pán)或其他塊設(shè)備，因?yàn)樗部梢詫?duì)稱(chēng)為塊的存儲(chǔ)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(nèi)進(jìn)行，所以，在大多數(shù)情況下，在進(jìn)行寫(xiě)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(xiě)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(pán)、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(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(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(zhuān)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(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(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(xiě)入時(shí)間為0.5 ms，可以實(shí)現(xiàn)高速讀寫(xiě)。
　　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(xiě)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。