基于DSP PNX1501的NandFlash在線燒錄系統(tǒng)設計

隨著電子產品市場的不斷擴大，閃存器無疑將獲得極大的增長。這種增長在很大程度上取決于存儲器的非易失性、低功耗、高密度和重量輕等特點。多項優(yōu)點集于一身使得閃存器在移動電子和嵌入式領域中得到了極大的應用。而nand-Flash價格便宜量又足，性價比也很高，且十分輕便，抗震性也很不錯，很適合用來做數(shù)碼產品，現(xiàn)在的單片nandflash芯片的存儲容量已經可以做到4 GB。很難想像，在一個大小只有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，開發(fā)在線燒錄系統(tǒng)也就成為嵌入式開發(fā)領域不可缺少的一步。

1 NandFlash簡介

NOR和NAND是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術。Intel于1988年首先開發(fā)出NOR flash技術，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結構，該結構強調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接口輕松升級。NandFlash作為高數(shù)據(jù)存儲密度的理想解決方案，可以達到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快。而其應用NAND的困難在于flash的管理問題和需要特殊的系統(tǒng)接口，Nand-Flash器件使用復雜的I／O口來串行存取數(shù)據(jù)，各個產品或廠商的方法可能各不相同。它用8個引腳來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。NandFlash的讀、寫操作采用512字節(jié)的塊，這有點像硬盤管理的此類操作。這樣，基于NandFlash的存儲器就很自然地可以取代硬盤或其他塊設備，因為它也可以對稱為塊的存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內進行，所以，在大多數(shù)情況下，在進行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除(在NandFlash閃存中每個塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬次)?？偠灾?，現(xiàn)在市面上常見的優(yōu)盤、MP3和MP4等數(shù)碼設備的存儲系統(tǒng)都是采用NandFlash存儲芯片來實現(xiàn)的。

2 在線燒錄系統(tǒng)構架

本文介紹的整個燒錄系統(tǒng)由三部分組成，其中PC端通過PCI總線提供待燒錄數(shù)據(jù)并負責控制PNX1051 DSP，而DSP則負責解析，以將上端PC傳送的命令和數(shù)據(jù)通過控制GPIO管腳來控制NandFlash的通信時序以及燒錄的實現(xiàn)。圖1所示是該燒錄系統(tǒng)的系統(tǒng)結構框圖。

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GPIO腳可以作為普通IO對外圍芯片進行控制。本系統(tǒng)只用于實現(xiàn)對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，這樣在時序和邏輯上更加靈活。DSP與計算機之間的通信通過PCI總線實現(xiàn)，此外，DSP外擴有32MB DDR，該NandFlash用GPIO0～GPIO7作為數(shù)據(jù)口，GPIO8～GPIO12作為控制信號腳。對于市場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。燒錄過程中需要與PC頻繁進行數(shù)據(jù)通信，故在燒錄比較大的文件系統(tǒng)時，需要花費很長的時間，而且操作極為復雜，更主要的是不能在線燒寫，一但制成成品而需要更新時，就必須將Flash芯片拆卸下來，而對于本系統(tǒng)而言，PCI的傳輸帶寬可以達到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Flash進行拆卸，因此，對于產品的更新極為方便。本系統(tǒng)中選用的HY27US08121M NandFlash為三星公司生產的一款64MB Flash，該器件的塊擦除時間為2ms，頁寫入時間為0.5 ms，可以實現(xiàn)高速讀寫。

3 系統(tǒng)軟件

目前市場上Flash的存儲空間均以塊為單位進行管理，每一塊大小為32頁，每頁包含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)用來存放實際數(shù)據(jù)，Spare區(qū)間則用來存放有效數(shù)據(jù)的附加描述信息(ECC，壞塊信息、索引編號等等)。不同的文件系統(tǒng)有各自不同的數(shù)據(jù)結構，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頁或第1頁的Spare區(qū)第6字節(jié)表示(0xFF為有效，其余為無效)，ECC則是對全部有效數(shù)據(jù)進行一系列的異或校驗后得出的校驗值，通常為3字節(jié)(512字節(jié)校驗)或6字節(jié)(256字節(jié)校驗)。由于制造工藝的原因，Nand-Flash在生產過程中可能會產生壞塊，而對于壞塊而言，存儲信息就可能會丟失，因而不能使用。每塊Flash在出廠時已經把原始的壞塊信息寫入每塊的第0頁和第1頁的Spare區(qū)，在擦除時一定要先檢查是否為壞塊，否則就會把壞塊信息一并擦除(再也無法恢復)。此外，為了保證存儲信息的可靠性，在從NandFlash中讀取數(shù)據(jù)時還可以引入ECC校驗，并對讀取的每頁512字節(jié)數(shù)據(jù)計算新的ECC，同時和該頁Spare區(qū)存儲的ECC進行比較，這樣，可以糾正1 Bit位翻轉，或檢測2 Bit以上的翻轉。

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以塊和頁來管理數(shù)據(jù)，因此，對于PC端，首先應將數(shù)據(jù)按照Nand-Flash結構進行映射，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)后計算ECC和其它Spare區(qū)間內容，填滿32頁就可開辟新的數(shù)據(jù)結構并掛入鏈表中。

PC和DSP通信是該系統(tǒng)的關鍵。設計時可以采用消息方式，也可以在接收端DSP的外掛DDR中開辟一段共享區(qū)問，然后由PC直接將數(shù)據(jù)寫入，再發(fā)送命令進行燒錄。本系統(tǒng)采用第二種方式。對于飛利浦公司的DSP而言，該DSP在驅動中已經將其全部DDR空間映射到PC的物理空間了，因而可直接在驅動SDK中增加簡單接口函數(shù)，以將有DSP開辟的共享區(qū)間的地址通過消息方式傳送給PC，這樣，PC就能直接對該區(qū)問進行讀寫了。該操作的具體代碼如下：