controller_4G08的方案設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)了FPGA對(duì)Flash的控制

2 controller_4G08的指令集
K9F4G08具有自己的指令集，以讀操作為例，其操作過(guò)程是：首先發(fā)送命令00h，再發(fā)5個(gè)周期地址，最后發(fā)送命令30h。Flash開(kāi)始讀相應(yīng)的頁(yè)，此時(shí)rb信號(hào)為低(表示Flash處于busy狀態(tài))，等到rb信號(hào)為高，再按照時(shí)序改變讀使能信號(hào)，便可將1個(gè)頁(yè)的數(shù)據(jù)依次讀出[1]。
controller_4G08根據(jù)K9F4G08的指令集建立了自己的指令集，新增了全擦、部分擦指令，并且在讀寫(xiě)指令前加入了壞塊匹配功能，如表1所示。

2.1 匹配表
Flash出廠后可能存在壞塊，使用中也有可能會(huì)再出現(xiàn)新的壞塊。制造商保證每個(gè)芯片中的壞塊不多于80個(gè)，同時(shí)保證第0個(gè)塊肯定是好的，且保證擦寫(xiě)1 000次不壞[1]。當(dāng)進(jìn)行連續(xù)地址的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)時(shí)有可能遇到壞塊，壞塊無(wú)法進(jìn)行操作，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。因此必須建立一個(gè)匹配表，當(dāng)遇到壞塊時(shí)，將其匹配到好塊的地址上。
實(shí)際的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)中只使用4 000個(gè)塊，根據(jù)這些要求設(shè)計(jì)了這樣的匹配表：長(zhǎng)度512 B，存放在第0個(gè)塊的第0個(gè)頁(yè)(B0P0)。具體內(nèi)容見(jiàn)表2。

一個(gè)塊的地址用2 B的16進(jìn)制數(shù)表示。256 B可以存儲(chǔ)128個(gè)塊地址。0~255與256~512中存儲(chǔ)的塊地址是一一對(duì)應(yīng)的，當(dāng)使用到0~255中的塊地址時(shí)，需要從256~511中尋找對(duì)應(yīng)的塊地址進(jìn)行替換。
在FPGA中生成一個(gè)512 B的ram：ram_512，專門(mén)用于存放匹配表，當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位后，狀態(tài)機(jī)會(huì)自動(dòng)將B0P0的數(shù)據(jù)讀出，并將前512 B的數(shù)據(jù)存入該ram_512中，以便后面匹配時(shí)使用[4]。
2.2 全擦與部分擦指令
該指令用于擦除所有的塊，建立新的匹配表。由于壞塊會(huì)導(dǎo)致擦除不成功，狀態(tài)機(jī)在擦除過(guò)程中會(huì)記錄下1~4 000個(gè)塊中擦除失敗的壞塊的地址、4 000~4 095個(gè)塊中好塊的地址，先按照匹配表規(guī)定的順序?qū)懭雛am_512，全部擦除完成后將ram_512中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入B0P0。由于數(shù)據(jù)量不足2 KB，因此后面補(bǔ)零。其流程圖如圖2所示。

部分擦除與全擦類似，執(zhí)行這條指令需要給定起始與結(jié)尾的塊地址，controller_4G08可以完成對(duì)2個(gè)塊地址之間所有塊的擦除。當(dāng)擦除過(guò)程中擦到壞塊時(shí)，狀態(tài)機(jī)會(huì)從匹配表中尋找該壞塊對(duì)應(yīng)的好塊，并擦除。若沒(méi)有尋找到該壞塊的匹配塊，則出現(xiàn)了新的壞塊，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)報(bào)錯(cuò)的標(biāo)志位，提示主狀態(tài)機(jī)需要進(jìn)行全擦，以便建立新的匹配表。
2.3 讀寫(xiě)匹配
如果遇到壞塊，會(huì)造成讀寫(xiě)失敗，為了滿足大批量數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的連續(xù)性，在讀寫(xiě)數(shù)據(jù)之前必須對(duì)當(dāng)前塊地址進(jìn)行匹配，這些工作由controller_4G08完成，當(dāng)主狀態(tài)機(jī)給controller_4G08發(fā)送塊地址后就會(huì)執(zhí)行。
Flash讀寫(xiě)是對(duì)頁(yè)操作的，一次2 KB。FPGA中有一個(gè)4 KB的ram：ram_4096，用來(lái)作為緩沖區(qū)存放數(shù)據(jù)。當(dāng)需要向Flash中寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，主狀態(tài)機(jī)向controller_4G08發(fā)Page_program指令，發(fā)送5 B地址，controller_4G08會(huì)自動(dòng)進(jìn)行塊地址匹配，匹配完之后會(huì)給主狀態(tài)機(jī)一個(gè)中斷信號(hào)，主狀態(tài)機(jī)收到這個(gè)信號(hào)便開(kāi)始將ram_4096中的數(shù)據(jù)發(fā)給controller_4G08，之后等待中斷，收到中斷說(shuō)明寫(xiě)指令執(zhí)行成功。
當(dāng)需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，主狀態(tài)機(jī)向controller_4G08發(fā)Page_read指令，發(fā)送5字節(jié)地址，controller_4G08會(huì)自動(dòng)進(jìn)行塊地址匹配及Flash的頁(yè)讀操作，等中斷一到便開(kāi)始接收來(lái)自controller_4G08的數(shù)據(jù)并存至ram_4096中。
controller_4G08中有一個(gè)存放上次塊地址的寄存器，每次進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，會(huì)將當(dāng)前塊地址與上次的塊地址進(jìn)行比較，若相同則說(shuō)明是好塊，可以讀寫(xiě)；若不同則需要進(jìn)行匹配。狀態(tài)機(jī)會(huì)從ram_512中尋找該塊是否為壞塊，進(jìn)行一系列處理。與擦除指令一樣，當(dāng)讀寫(xiě)操作遇到新的壞塊時(shí)，也會(huì)向系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)。匹配流程圖如圖3所示。

3 controller_4G08主狀態(tài)機(jī)
圖4是主狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，系統(tǒng)上電復(fù)位后，主狀態(tài)機(jī)將進(jìn)入等待使能信號(hào)狀態(tài)。收到使能信號(hào)后，主狀態(tài)機(jī)會(huì)從cmd_code_4G08中讀取操作碼，然后啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的子狀態(tài)機(jī)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作。子狀態(tài)機(jī)執(zhí)行完畢以后就會(huì)通過(guò)int_ctl_4G08發(fā)送給主狀態(tài)機(jī)一個(gè)中斷信號(hào)，同時(shí)將執(zhí)行結(jié)果返回。主狀態(tài)機(jī)收到中斷信號(hào)后，又進(jìn)入空閑狀態(tài)等待下一個(gè)使能信號(hào)。這樣設(shè)計(jì)的主狀態(tài)機(jī)隨時(shí)都可以添加新的指令，可擴(kuò)展性強(qiáng)[4-5]。

4 FPGA下裝驗(yàn)證結(jié)果
采用FPGA開(kāi)發(fā)板進(jìn)行驗(yàn)證。此開(kāi)發(fā)板的硬件資源包括Cyclone的FPGA：EP1C12Q240C、3片F(xiàn)lash：K9F4G08、1片USB總線控制芯片：CH372。利用FPGA控制CH372，可以完成FPGA與PC通過(guò)USB進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)[6]。
在PC上用VB軟件編寫(xiě)了調(diào)試軟件[7]，利用該軟件可以通過(guò)USB口向FPGA發(fā)送指令，從而完成對(duì)任意Flash頁(yè)的讀、寫(xiě)及全擦。
首先進(jìn)行Flash全擦，讀取B0P0即可看到匹配表。從匹配表中找到一個(gè)壞塊的地址對(duì)其寫(xiě)入2 KB的數(shù)據(jù)，然后斷電再上電，讀取該壞塊地址，比較寫(xiě)入與讀出的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)完全一致，從而驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的壞塊管理和壞塊匹配方法的正確性。通過(guò)軟件操作，對(duì)普通好塊的讀寫(xiě)也是正確的，這里就不再說(shuō)明了。
本文用FPGA主狀態(tài)機(jī)直接管理controller_4G08、controller_4G08控制芯片的設(shè)計(jì)方案可以減少主狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)數(shù)量，使FPGA很方便地實(shí)現(xiàn)Flash控制功能，設(shè)計(jì)更加容易實(shí)現(xiàn)，具有較強(qiáng)的可復(fù)用性與移植性。同時(shí)建立了一套完善的Flash文件管理機(jī)制。