基于FPGA的NAND Flash的分區(qū)續(xù)存的功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

0 引言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用NAND Flash芯片實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)， 越來(lái)越大的NAND Flash容量讓系統(tǒng)可以存儲(chǔ)更大量的數(shù)據(jù)和更長(zhǎng)的時(shí)間。但是，隨著系統(tǒng)的變得復(fù)雜，對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的NAND Flash 控制器每次存儲(chǔ)都是從Flash 的零地址開(kāi)始，本次存儲(chǔ)任務(wù)結(jié)束后，當(dāng)系統(tǒng)再次開(kāi)啟存儲(chǔ)后，再次從零地址開(kāi)始存儲(chǔ)。新的數(shù)據(jù)會(huì)寫(xiě)覆蓋之前的數(shù)據(jù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的續(xù)存，使得NAND Flash使用起來(lái)十分不便；而且數(shù)據(jù)反復(fù)地從零地址開(kāi)始存儲(chǔ)，造成NAND Flash存儲(chǔ)器的使用上的不均衡，影響其壽命^[1]。

本文提出了一種基于FPGA的NAND Flash 分區(qū)續(xù)存功能的控制器實(shí)現(xiàn)方法：NAND Flash控制器根據(jù)控制對(duì)象的特點(diǎn)，將NAND Flash劃分多個(gè)分區(qū)，利用其自身的某一空間記錄最新的分區(qū)地址信息，控制器在初始化時(shí)通過(guò)讀取最新的分區(qū)地址信息，自動(dòng)跳過(guò)該分區(qū)，在下一分區(qū)開(kāi)始存儲(chǔ)，同時(shí)更新最新的分區(qū)地址信息。通過(guò)這種方法，可以靈活地實(shí)現(xiàn)NAND Flash 控制器分區(qū)續(xù)存的功能，解決了數(shù)據(jù)不能續(xù)存的問(wèn)題，同時(shí)也解決了NAND Flash 存儲(chǔ)器的使用的不均衡的問(wèn)題。

1 電路說(shuō)明

NAND Flash芯片使用型號(hào)是三星公司的K9K8G08U0A，單片容量為1 G x 8 Bit。該芯片總共有8 192 個(gè)塊（Block），每個(gè)塊中含有64 頁(yè)（Page），每頁(yè)共2112 個(gè)字節(jié)（前2 048 個(gè)主存儲(chǔ)空間+64 個(gè)擴(kuò)展空間）。芯片容量結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 NAND Flash內(nèi)部存儲(chǔ)空間結(jié)構(gòu)圖

FPGA 使用型號(hào)為Xilinx 公司Virtex II 系列的XC2V1000，芯片內(nèi)部有5 120 個(gè)Slice、40 個(gè)乘法器、720 kbit 的RAM 模塊資源、320 個(gè)用戶I/O 引腳。

2 NAND Flash控制器設(shè)計(jì)

2.1 控制器概述

NAND Flash 控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示，一共分為應(yīng)用層和接口層2 部分，接口層負(fù)責(zé)與NAND Flash的讀、寫(xiě)，擦操作的接口；應(yīng)用層負(fù)責(zé)調(diào)用接口層模塊，同時(shí)完成NAND Flash 控制器的控制功能，分區(qū)續(xù)存功能設(shè)計(jì)在工作控制模塊中^[2]。

圖2 控制器結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 分區(qū)設(shè)計(jì)

本型號(hào)NAND Flash 一共有8 192 個(gè)塊，塊地址從0~8 191。其中塊0、塊 1 用作狀態(tài)存儲(chǔ)區(qū)，其中塊0 用于壞塊表的存儲(chǔ)，塊1 用于存儲(chǔ)本次數(shù)據(jù)記錄用到的最新分區(qū)的地址信息；塊2~ 塊8 191 作用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，共計(jì)8 190 個(gè)塊，在本設(shè)計(jì)中，將這8 190 個(gè)塊分為10個(gè)分區(qū)，分別為分區(qū)0~9，每個(gè)分區(qū)有819 個(gè)塊。分區(qū)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3 所示^[3]。

圖3 NAND Flash分區(qū)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的每個(gè)分區(qū)的起始地址和結(jié)束地址見(jiàn)表1。

表1 分區(qū)起始地址與結(jié)束地址

2.1.2 分區(qū)工作機(jī)理

NAND Flash 控制器上電后，需要先讀取到上一次存儲(chǔ)的NAND Flash 的分區(qū)地址信息，所以需要有一塊專門(mén)的空間用于存儲(chǔ)該地址^[4-5]。在本設(shè)計(jì)中，利用NAND Flash 的塊1 的第0 頁(yè)專門(mén)的用于存儲(chǔ)該地址信息，使用分區(qū)的起始地址作為分區(qū)的地址信息。

最新分區(qū)的地址信息需要?jiǎng)討B(tài)更新?？刂破鳙@取起始地址信息后，根據(jù)分區(qū)大小，自動(dòng)計(jì)算出下一分區(qū)的首地址作為本次存儲(chǔ)操作的起始地址?？刂破飨葘⒂?jì)算后的起始地址信息更新至塊1 的第0 頁(yè)處，然后從計(jì)算后的起始地址開(kāi)始，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作。當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作超過(guò)本次分區(qū)的地址范圍，則控制器在跨分區(qū)時(shí)，再次計(jì)算出下一分區(qū)的起始地址，并更新最新分區(qū)地址至塊1 的第0 頁(yè)處，從而實(shí)現(xiàn)了最新分區(qū)起始地址的實(shí)時(shí)更新^[6]。

2.1.3 分區(qū)地址的存儲(chǔ)

NAND Flash 存儲(chǔ)器塊1 中的第0 頁(yè)為最新分區(qū)的首地址存儲(chǔ)區(qū)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)格式如圖4 所示。第0 頁(yè)的第0、1 字節(jié)為最新分區(qū)首地址；第0 頁(yè)的其他的數(shù)據(jù)皆為0xCB，該數(shù)據(jù)用于大量數(shù)據(jù)讀取時(shí)的檢索，能夠方便地找到最新分區(qū)的首地址存儲(chǔ)區(qū)。

圖4 分區(qū)信息存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

由于塊1 反復(fù)地被更新寫(xiě)入最新分區(qū)的起始地址，需要估算塊1 的使用壽命：本次應(yīng)用中，根據(jù)系統(tǒng)的要求，要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量為每間隔5 ms 存儲(chǔ)256 個(gè)字節(jié)，可計(jì)算得到存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量為51 kbit/s，則存滿1 頁(yè)需要40 ms，存滿1 塊需要2.56 s，存滿1 個(gè)分區(qū)需要約38 min， 即大約每隔38 min 就要對(duì)塊1 進(jìn)行1 次寫(xiě)操作。根據(jù)NANDFlash 壽命按10 萬(wàn)次寫(xiě)操作計(jì)算^[7]，則NAND Flash 塊1 在本系統(tǒng)中的使用時(shí)長(zhǎng)約為6.3 萬(wàn)h，能夠滿足正常的使用需求。

2.1.4 分區(qū)狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)

根據(jù)分區(qū)機(jī)理，FPGA 的工作控制模塊設(shè)計(jì)了分區(qū)相關(guān)的狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)流程如圖5 所示，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)如下：上電后，狀態(tài)機(jī)從狀態(tài)1 跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)2，判斷初始化是否結(jié)束。等待初始化結(jié)束后，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)3，讀取塊1的第0 頁(yè)中的數(shù)據(jù)，得到上一次的分區(qū)信息；在狀態(tài)4 中計(jì)算中更新本次要操作的最新的分區(qū)地址。狀態(tài)機(jī)依次跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)5、6，將更新后的最新分區(qū)地址寫(xiě)入塊1 的第0 頁(yè)，且更新本次操作的塊地址。狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)6，進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作。狀態(tài)7、8，9 為正常的連續(xù)寫(xiě)操作狀態(tài)。狀態(tài)10 時(shí)判斷是否超出本分區(qū)，如果超出，則跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)4 重新計(jì)算并更新分區(qū)地址，否則跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)6 繼續(xù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖5 狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換圖

當(dāng)電路下電，再次上電后，狀態(tài)機(jī)會(huì)跳過(guò)上一次操作的分區(qū)，從下一分區(qū)開(kāi)始存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的連續(xù)性，前一次的存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)被本次數(shù)據(jù)覆蓋，本次數(shù)據(jù)前一次操作的分區(qū)的下一分區(qū)進(jìn)行存儲(chǔ)。

3 驗(yàn)證情況

驗(yàn)證的電路框圖如圖6 所示。在NAND Flash控制器中進(jìn)行驗(yàn)證，分區(qū)功能嵌入在工作控制模塊中，在FPGA 中設(shè)計(jì)1 個(gè)模擬數(shù)據(jù)源，模擬系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，每隔5 ms 寫(xiě)入256 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)；通過(guò)維護(hù)串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，可以通過(guò)上位機(jī)啟動(dòng)控制器工作和停止，讀取塊1 的數(shù)據(jù)等^[8]。

圖6 壞塊表模塊驗(yàn)證電路框圖

驗(yàn)證內(nèi)容分為兩部分，首先為不跨分區(qū)的自動(dòng)續(xù)存功能驗(yàn)證，其次為跨分區(qū)的自動(dòng)續(xù)存功能驗(yàn)證。

不跨分區(qū)驗(yàn)證時(shí)，驗(yàn)證的存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)約為1 min。先通過(guò)維護(hù)串口與上位機(jī)發(fā)送讀取命令，先讀取塊1 的數(shù)據(jù)，得到本次存儲(chǔ)前的最新分區(qū)信息，然后發(fā)送存儲(chǔ)命令，1 分鐘后直接下電重啟，再次讀取塊1 的數(shù)據(jù)，對(duì)比第2 次讀到的最新分區(qū)信息，如圖7 所示。存儲(chǔ)前分區(qū)信息為0×0CCE，即分區(qū)4。存儲(chǔ)后分區(qū)信息為0×1001，即分區(qū)5。說(shuō)明本次存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在分區(qū)5，成功跳過(guò)了分區(qū)4，分區(qū)4 為上一次存儲(chǔ)的空間。

圖7 不跨分區(qū)試驗(yàn)結(jié)果

跨分區(qū)驗(yàn)證的存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)約為45 min，大于38 min，以確保存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)能夠超過(guò)1 個(gè)分區(qū)。先通過(guò)上位機(jī)發(fā)送讀取命令，先讀取塊1 的數(shù)據(jù)，得到本次存儲(chǔ)前的最新分區(qū)信息，然后發(fā)送存儲(chǔ)命令，45 分鐘后下電重啟，再次讀取塊1 的數(shù)據(jù)，對(duì)比第2 次讀到的最新分區(qū)信息，如圖8 所示。存儲(chǔ)前分區(qū)信息為0×1001，即分區(qū)5。存儲(chǔ)后分區(qū)信息為0×1667，即分區(qū)7。說(shuō)明本次存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在分區(qū)6 和分區(qū)7，成功實(shí)現(xiàn)了跨過(guò)分區(qū)的存儲(chǔ)和更新了最新分區(qū)地址信息。

圖8 跨分區(qū)試驗(yàn)結(jié)果

綜上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的基于FPGA 的自動(dòng)分區(qū)續(xù)存功能夠正確地實(shí)現(xiàn)，方法簡(jiǎn)單便捷，滿足系統(tǒng)對(duì)NAND Flash 存儲(chǔ)器芯片的多次存儲(chǔ)的控制需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于FPGA 的自動(dòng)分區(qū)續(xù)存功能的方法，該方法簡(jiǎn)單方便的實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)器的分區(qū)管理，滿足了數(shù)據(jù)分區(qū)續(xù)存的需求，并得到了試驗(yàn)證明。該方法的分區(qū)續(xù)存功能準(zhǔn)確可靠，目前已經(jīng)在實(shí)際產(chǎn)品中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年8月期）