基于Flash的大容量高速數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計(jì)

現(xiàn)今嵌入式存儲(chǔ)產(chǎn)品已滲透進(jìn)人們生活工作中的方方面面，從ATM 機(jī)到手持通訊設(shè)備。社會(huì)對(duì)嵌入式產(chǎn)品的性能也有越來(lái)越高的要求：大容量，高速度，斷電保護(hù)，體積限制等等。當(dāng)前數(shù)據(jù)記錄儀的容量和速度普遍偏小。本文旨在研究一種的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量達(dá)512MB 高速數(shù)據(jù)記錄儀,它可以用于多路信號(hào)采集系統(tǒng)中。重點(diǎn)研究在嵌入式linux 系統(tǒng)平臺(tái)的架構(gòu)下基于NandFlash 的存儲(chǔ)技術(shù)。

引言

FLASH 是一種不揮發(fā)性內(nèi)存，在無(wú)電流供應(yīng)的條件下也能夠長(zhǎng)久地保持?jǐn)?shù)據(jù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的存儲(chǔ)介質(zhì)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。目前主要的閃存分為兩類：Intel 首先開發(fā)的NOR flash 和東芝發(fā)布的NandFlash。

Nor Flash 的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行。應(yīng)用程序可以直接在閃存內(nèi)運(yùn)行。不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM 中。NOR 的傳輸效率很高,但是寫入和擦除速度很低。Nandflash 存儲(chǔ)單元的讀寫是以頁(yè)和塊為單位來(lái)進(jìn)行，這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)在于容量可以做得很大，NAND 閃存的成本較低，有利于大規(guī)模普及。主要功能是存儲(chǔ)資料。故而現(xiàn)在碼相機(jī)閃存卡和MP3 播放器中存儲(chǔ)設(shè)備幾乎全部是NandFlash?，F(xiàn)在大部分的嵌入式設(shè)備廠商出于成本的考慮都選擇了NandFlash 作為存儲(chǔ)設(shè)備。這樣增加了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)效率而且也限制了Flash 容量。

結(jié)合兩類閃存的優(yōu)缺點(diǎn)，本文中我們選擇NandFlash 作為數(shù)據(jù)記錄儀上午數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，norflash 作為數(shù)據(jù)記錄儀的程序存儲(chǔ)器。

圖 1：系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖圖

圖 2：系統(tǒng)應(yīng)用軟件流程

數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計(jì)整體包括兩塊，其部分是數(shù)據(jù)采集模塊一部分是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，用TLC2578 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集AD 轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)的調(diào)度核心是ARM 處理器，在這里使用S3c2440，ARM 主要負(fù)責(zé)核心處理和控制。存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，其中Nand FLASH 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件，Nor Flash 負(fù)責(zé)存儲(chǔ)bootloader,操作系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)，SDRAM 存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的程序和數(shù)據(jù)，ARM 通過(guò)GPIO 連接相關(guān)繼電器、觸發(fā)設(shè)備、輸出電壓控制設(shè)備、以及特定設(shè)備采樣A／D 并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

S3C2440 是三星公司的ARM920T 的ARM 控制器：支持32 b 的高速AMBA 總線接口；帶有MMU，可以進(jìn)行Linux 操作系統(tǒng)的移植；支持大頁(yè)NAND 閃存控制器。NandFlash 芯片選用K9F4G08U0M，這是Samsung 生產(chǎn)的512 MB 的NAND Flash 存儲(chǔ)器。內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)為(2K+64)字節(jié)×32 頁(yè)×4 096 塊,NAND Flash 接口信號(hào)比較少，數(shù)據(jù)線寬度只有8bit，CLE 和ALE 兩個(gè)引腳信號(hào)用來(lái)區(qū)分總線上的數(shù)據(jù)類型，沒有地址總線。Nor Flash 采用16MX16 位的E28F128J3A，NORFlash 接口與系統(tǒng)總路線完全匹配，16 個(gè)數(shù)據(jù)輸入輸出引腳，可以連接在系統(tǒng)總線上。NORFlash 有三個(gè)芯片片選引腳信號(hào)，選用

作為片選信號(hào)，與處理器

引腳相連。BYTE接高電平，表示Flash 在16 位數(shù)據(jù)傳輸模式下。

系統(tǒng)軟件組成

本系統(tǒng)的軟件部分包括應(yīng)用程序和系統(tǒng)程序，應(yīng)用程序主要是 AD 采集和讀寫Flash，見圖2，而系統(tǒng)程序就是應(yīng)用程序工作的軟件平臺(tái)。它由以下部分組成：系統(tǒng)引導(dǎo)程序、嵌入式操作系統(tǒng)linux 內(nèi)核、文件系統(tǒng)。

系統(tǒng)引導(dǎo)程序負(fù)責(zé)將操作系統(tǒng)內(nèi)核固化到Flash 中和系統(tǒng)初始化工作，然后將系統(tǒng)控制權(quán)交給操作系統(tǒng)。在本文里我們使用uboot 作為系統(tǒng)引導(dǎo)程序。嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核是嵌入式系統(tǒng)加電運(yùn)行后的管理平臺(tái)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)性任務(wù)和多任務(wù)的管理,這里選擇嵌入式linux 內(nèi)核。

文件系統(tǒng)是對(duì)一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備上的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)進(jìn)行組織的機(jī)制。Linux 文件系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)為分層的體系結(jié)構(gòu)，從而將用戶接口層、文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和操作存儲(chǔ)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序分隔開。JFFS2 是專門針對(duì)嵌入式系統(tǒng)中的Flash 存儲(chǔ)器的特性而設(shè)計(jì)的一種日志文件系統(tǒng)。YAFFS2 支持大頁(yè)面的NAND 設(shè)備，并且對(duì)大頁(yè)面的NAND 設(shè)備做了優(yōu)化。

軟件平臺(tái)固化在Nor Flash 中。根據(jù)軟件平臺(tái)的內(nèi)容 對(duì)Nor Flash 的地址空間進(jìn)行分區(qū)，這里分三個(gè)區(qū)，分別存放bootloader、Linux 內(nèi)核和文件系統(tǒng)。

NandFlash 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

NandFlash 驅(qū)動(dòng)程序框架

按照 linux 下驅(qū)動(dòng)編寫規(guī)范編寫nand flash 驅(qū)動(dòng)，其實(shí)主要工作就是實(shí)現(xiàn)下面這個(gè)結(jié)構(gòu)體中的函數(shù)。

s3c2440_nand_drive 這個(gè)結(jié)構(gòu)體用于向內(nèi)核注冊(cè)Nand Flash 設(shè)備，它會(huì)被platform_driver_register 函數(shù)調(diào)用到。其中s3c2440_nand_probe 是最重要的，它完成對(duì)nand 設(shè)備的探測(cè)。

Nand_scan 是在初始化nand 的時(shí)候?qū)and 進(jìn)行的一步非常好重要的操作，在nand_scan 中會(huì)對(duì)我們所寫的關(guān)于特定芯片的讀寫函數(shù)重載到nand_chip 結(jié)構(gòu)中去，并會(huì)將mtd_info 結(jié)構(gòu)體中的函數(shù)用nand 的函數(shù)來(lái)重載，實(shí)現(xiàn)了mtd 到底層驅(qū)動(dòng)的聯(lián)系。并且在nand_scan 函數(shù)中會(huì)通過(guò)讀取nand 芯片的設(shè)備號(hào)和廠家號(hào)自動(dòng)在芯片列表中尋找相應(yīng)的型號(hào)和參數(shù)，并將其注冊(cè)進(jìn)去。

NandFlash 讀頁(yè)操作函數(shù)

NandFlash 讀數(shù)據(jù)操作以頁(yè)為單位,讀數(shù)據(jù)首先寫入讀數(shù)據(jù)命令00H（如圖3）,然后輸入要讀取頁(yè)的地址,接著從數(shù)據(jù)寄存器中讀取數(shù)據(jù),最后進(jìn)行ECC 校驗(yàn)。

NandFlash 寫操作

寫操作其實(shí)就是對(duì)頁(yè)進(jìn)行編程命令。見圖4，首先寫入80h 開始編程模式，接下來(lái)寫入地址和數(shù)據(jù); 最后寫入10h 表示編程結(jié)束。程序如下：

圖3：讀NandFlash 流程

圖4： 寫NandFlash 流程

NAND Flash 塊擦除

本論文所用到的Nand Flash 的塊大小是32X(2k+64)Byte,整塊擦除。命令代碼流程：首先寫入60h 進(jìn)入擦寫模式，然后輸入塊地址，接下來(lái)寫入D0h, 表示擦寫結(jié)束。

測(cè)試結(jié)果

在測(cè)試 Nand Flash 的讀寫速度時(shí)，我們通過(guò)TFTP 將數(shù)據(jù)下載到RAM 中，Nand Flash 進(jìn)行讀、編程、擦寫測(cè)試。這樣可以比較真實(shí)的測(cè)試Nand Flash 的讀寫速度，測(cè)試結(jié)果表明從NandFlash 讀4MBbytes 的數(shù)據(jù)所用的時(shí)間是3886ms,向Nand Flash 寫4Mbytes 數(shù)據(jù)所用的時(shí)間是14026ms,擦除NandFlash 中的4MByte 需要的時(shí)間是6 毫秒。這個(gè)速度還是比較理想的，完成對(duì)32 路AD 采集過(guò)來(lái)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)是足夠的。而且512MByte 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間對(duì)于數(shù)據(jù)記錄儀而言是一個(gè)非常大的容量。

結(jié)論

測(cè)試結(jié)果表明數(shù)據(jù)記錄儀存儲(chǔ)速度是比較理想的，完成對(duì)AD 采集過(guò)來(lái)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)是足夠的。而且512MByte 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間對(duì)于數(shù)據(jù)記錄儀而言是一個(gè)非常大的容量。