支持ONFI同步模式的NAND Flash控制器設(shè)計(jì)

摘要：先對ONFI標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了介紹，然后再設(shè)計(jì)了一種支持ONFI2．1標(biāo)準(zhǔn)源同步高速模式的NAND Flash控制器，包括狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)，接口的設(shè)計(jì)等。對設(shè)計(jì)中遇到的源同步模式下，信號的對齊問題進(jìn)行了說明，并提出了一種解決方法。同時(shí)設(shè)計(jì)中還會遇到數(shù)據(jù)跨時(shí)鐘域傳輸?shù)膯栴}，本文也給出了解決辦法。最后仿真和綜合結(jié)果表明，本文的設(shè)計(jì)完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，具有實(shí)際的使用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：非易失閃存技術(shù)；ONFI2．1；源同步；兩倍數(shù)據(jù)率；超大規(guī)模集成電路

0 引言
在當(dāng)今的數(shù)字信息時(shí)代，人們對大容量數(shù)據(jù)存儲的需求日趨旺盛。作為非易失性存儲器的NAND Flash，由于其高容量低成本的特點(diǎn)，逐漸在實(shí)際產(chǎn)品，比如固態(tài)硬盤、智能手機(jī)、平板電腦等消費(fèi)類電子產(chǎn)品中得到應(yīng)用。
由于其特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，NAND Flash的操作方式與NOR Flash不太一樣，不支持隨機(jī)字節(jié)訪問，其讀、寫操作均要以頁面(Page)為單位進(jìn)行，同一頁面在未擦除前不允許進(jìn)行多次寫操作；而擦除操作必須以塊(Block)為單位進(jìn)行。因此，需要針對這一特性設(shè)計(jì)專用的控制器來完成各種操作。
本文根據(jù)這一目的，設(shè)計(jì)了一款NAND Flash控制器。該控制器不僅能夠完成前面提到的基本操作，還能支持ONFI2．1標(biāo)準(zhǔn)中的同步接口模式。使其能夠以200MB／s的速度對NAND Flash設(shè)備進(jìn)行讀寫操作，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于其他同類NAND Flash控制器。

1 ONFI標(biāo)準(zhǔn)
ONFI(Open NAND Flash Interface，開放式NAND閃存接口)規(guī)范是一種Flash閃存接口的標(biāo)準(zhǔn)，它是Intel為統(tǒng)一當(dāng)初混亂的閃存接口所倡導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)樵诖酥埃袌錾箱N售的NAND閃存芯片在引腳定義上都不完全相同。這就使得為一家公司設(shè)計(jì)的控制器，很有可能無法用在另一家公司的產(chǎn)品上。比如為東芝芯片設(shè)計(jì)的控制器，就無法用在三星或海力士的產(chǎn)品上，這就給上游的主控設(shè)計(jì)商以及最終的產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員帶來了很大的困難。
為此，Intel聯(lián)合多家NAND Flash廠商制定了ONFI標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一NAND Flash芯片的引腳定義，并在此基礎(chǔ)上采用新的技術(shù)以實(shí)現(xiàn)新的功能。2006年發(fā)布了ONFI1．O標(biāo)準(zhǔn)，使得接口的統(tǒng)一邁出了實(shí)質(zhì)性的一步。但是該版本速度較慢，最高速度只有34MB／s，不具有太大的競爭優(yōu)勢。為了提高速度，ONFI組織在2008年發(fā)布了ONFI2．0，將接口速度提升到了133MB／s。在該版本中，主要是通過兩項(xiàng)技術(shù)來提高傳輸速度。第一項(xiàng)就是在DRAM領(lǐng)域里常用的DDR(Double Data Rate，兩倍數(shù)據(jù)率)信號技術(shù)。第二項(xiàng)是使用源同步時(shí)鐘來精確控制鎖存信號，使其能夠達(dá)到更高的工作頻率。2009年，ONFI組織又推出了規(guī)格更高的ONFI2．1標(biāo)準(zhǔn)，把最高速度提高到了200MB／s。

2 控制器結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計(jì)的NAND Flash控制器是SOC芯片的一部分，作為AHB Slave被掛在總線上，接收來自CPU的讀、寫和擦除等命令。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

其中AHB Slave接口模塊主要是負(fù)責(zé)處理與AHB總線協(xié)議相關(guān)的操作；ECC編譯碼模塊主要是負(fù)責(zé)對存入NAND Flash中的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯編碼和對從NAND Flash中讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯碼譯碼的工作；異步FIFO模塊用來緩存數(shù)據(jù)，并承擔(dān)數(shù)據(jù)跨時(shí)鐘域的工作；主控模塊負(fù)責(zé)整個(gè)控制器的控制；異步收發(fā)接口模塊主要負(fù)責(zé)異步模式下的數(shù)據(jù)讀寫；同理，同步收發(fā)接口模塊主要負(fù)責(zé)同步模式下的數(shù)據(jù)讀寫。本文的重點(diǎn)是與ONFI標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的接口設(shè)計(jì)，所以AHB Slave與ECC兩個(gè)模塊在此不再介紹，具體請參閱其他相關(guān)文獻(xiàn)。

主控模塊是整個(gè)控制器的中心控制模塊，由一個(gè)主狀態(tài)機(jī)和多個(gè)子狀態(tài)機(jī)構(gòu)成。主狀態(tài)機(jī)有1個(gè)空閑狀態(tài)和8個(gè)工作狀態(tài)，分別對應(yīng)著8種具體的操作。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2所示。而每個(gè)工作狀態(tài)又對應(yīng)1個(gè)子狀態(tài)機(jī)，負(fù)責(zé)每個(gè)操作的具體細(xì)節(jié)。由于篇幅所限，本文只列出Program操作的子狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，如圖3所示。其他子狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)可以根據(jù)ONFI標(biāo)準(zhǔn)來確定。