基于FPGA的NAND FLASH控制器的设计

2011-10-18李槐生

科学之友 2011年11期

李槐生

（太原理工大学信息学院，山西太原 030024）

随着科技的进步，电子产品已经以各种各样的形式进入到了千家万户。如人们每天接触的MP3、手机、数码相机、移动存储设备等电子产品。数据的存储是电子设备的关键技术之一。而目前应用最为广泛的存储介质就是NAND FLASH，它具有存储容量大、价格低廉、速度快等优点。对NAND FLASH的控制可以直接使用专用的控制芯片，这种方法比较简单，但是性价比较低，该芯片的部分功能得不到使用，造成浪费，兼容性较差。目前随着FPGA(即现场可编程逻辑门阵列)技术的发展，越来越多的工程师选择自己开发专用集成芯片。这种方法可以根据用户特有的需求来量身打造，且IP核可以与其它系统很好地集成互联，兼容性好。本设计就是用FPGA来实现了NAND FLASH的控制器，并通过测试验证了该IP核。

1 NAND FLASH控制器实现

本控制器所实现的是对NAND FLASH的读、写、擦除以及坏块处理等操作，其中利用FPGA内部RAM资源设计出32 K缓存，用来暂存FLASH中的数据，并留下控制端口，与MCU系统进行互联，使得MCU等对NAND FLASH进行操作时不需要考虑具体的控制时序以及坏块等问题，只需关注存储数据以及存储位置即可，使得MCU代码开发者不需要过多地考虑物理底层的设计，简化开发难度。控制器基本架构框见图1。

图1 NAND FLASH控制器

本设计选用的NAND FLASH为三星公司的K9F5608U0B，其容量为32 M×8 Bit。它有2 048个块，每块32页，每页有528个字节，其中每页的最后16个字节用来存储ECC校验码。FPGA选用的是Xilinx公司所生产的XC3S1000-4-FT256C。

1.1 FLASH控制模块

该模块作为整个控制器的核心模块，起到了协调各个子模块运行以及实现与MCU通信的作用。主要实现以下功能：

（1）首先接收到MCU发送过来的读写命令以及起始地址和数据总数。

（2）根据接收到的上述数据，该模块计算出起始块地址、起始页地址、终止块地址、终止页地址以及总共块数、总共页数。

（3）如果从MCU读命令，则用one page read命令来启动FLASH读模块，按页连续读取。

（4）如果从MCU写命令，启动FLASH写模块，并进行如下操作：①首先将起始块中未涉及到的页的内容用Sequential Row Read命令读取出来，并放入缓冲中；②对终止块中未涉及到的页进行上述处理；③对所涉及到的块，用erase命令全部擦除；④将缓冲的数据再放回到FLASH中原先的位置中；⑤开始从MCU接收数据，并用write命令，一页一页地写进FLASH中；⑥在写完之后，启动坏块处理模块，对所涉及的块进行扫描，确定坏块。

1.2 FLASH读模块

K9F5608U0B的读命令种类比较多，有READ1与READ2两种。Read2命令读取的是spare area，即存放ECC校验位的区域；Read1又可分为Read one page与Sequential Row Read1 Operation两种操作。Read one page即一次只能读一页，而Sequential Row Read1 Operation则可以连续读取多页。连续读取的范围仅限于本块当中，即如果控制器不发送停止该读命令的信号，则在读完本块的最后一页后Flash会自动停止读取。当然，大部分的命令识别工作已经由FLASH控制模块实现了。读操作模块中所写的状态机部分代码如下：

process(cu_st,read,r_b,counter_we,counter_re_cyc,counter_re)begin

case cu_st is

when por=>

when wait_cmd=>

when cmd_adr_input=>

when wait_busy=>

when wait_ready=>

when read_process=>

end case;

end process;

该状态机与控制模块配合便可实现FLASH读命令的各种时序。

图2 写模块流程图

1.3 FLASH写模块

从控制模块接收到启动命令，在接收了要写入的地址以及数据之后，开始启动状态机。写命令之前要进行块擦除，这个是由控制模块来协调的。流程见图2。首先写入write命令（80 H），之后输入地址，由于地址有3个字节，所以需要在3个WE周期将地址输入。首先输入列地址，之后两个字节为行地址（即页地址）。将ALE地址锁存信号拉低，依次输入一页的数据。输入program command（80 h），FLASH将R/B信号拉低，并开始写入数据。写完之后FLASH将R/B信号置高，FLASH控制器检测到R/B的变化，则输入read status command，从I/O 0口获取反馈，如果是0，表明写操作成功，否则失败。