大容量NAND FLASH在ARM嵌入式系統(tǒng)中的設計與實現(xiàn)

1 引 言

　　隨著嵌人式系統(tǒng)在數(shù)碼相機、數(shù)字攝像機、移動電話、mp3音樂播放器等移動設備中越來越廣泛的應用，FLASH存儲器已經(jīng)逐步取代其他半導體存儲元件，成為嵌入式系統(tǒng)中主要數(shù)據(jù)和程序載體。FLASH存儲器又稱閃存，是一種可在線多次擦除的非易失性存儲器，即掉電后數(shù)據(jù)不會丟失。FLASH存儲器還具有體積小、功耗低、抗振性強等優(yōu)點，是嵌入式系統(tǒng)的首選存儲設備。

NAND和NOR FLASH是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存芯片，這兩種類型的FLASH區(qū)別在于：

　　NOR類型FLASH可以按照字節(jié)訪問，所以存放在FLASH里的程序可以直接執(zhí)行，而NAND類型FLASH是串行訪問的，需要先把程序讀取到內(nèi)存然后再從內(nèi)存中運行。與NOR型相比，NAND型閃存的優(yōu)點是容量大，但是NAND型的速度比較慢，因為他的I/O端口只有8(或16)個，要完成地址和數(shù)據(jù)的傳輸就必需讓這些信號輪流傳送。NAND型FLASH具有極高的單元密度，容量可以比較大，價格相對便宜。本文采用Samsung公司的NAND型FLASH存儲設備K9F2808U0C。

2 系統(tǒng)硬件結構及接口電路

2.1 ARM芯片介紹

　　ARM公司自1990年正式成立以來，在32位RISC(Reduced InSTruction Set Computer)CPU開發(fā)領域不斷取得突破，目前已經(jīng)占有75％以上的32位RISC嵌入式產(chǎn)品市場。在低功耗、低成本的嵌人式應用領域確立了市場領導地位。

　　PHILIPS公司的LPC2210是基于一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，片內(nèi)128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘頻率下運行。LPC2210極低的功耗、多個32位定時器、8路10位ADC以及9個外部中斷使其特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和POS機。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，他們也非常適合于通信網(wǎng)關、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟MODEM以及其他各種類型的
應用。

2.2 K9F2808U0C芯片的結構和特點

K9F2808U0C是SAMSung公司生產(chǎn)的NAND型FLASH存儲器，其功能框圖如圖1所示。

　　K9F2808U0C存儲容量為132 Mb，其中主數(shù)據(jù)區(qū)為128 Mb，輔助數(shù)據(jù)區(qū)為4 Mb，工作電壓為2.7～3.6 V,I/O端口寬度為8 b。片內(nèi)寫控制自動實現(xiàn)編程和擦除所有功能，包括內(nèi)部校驗、脈沖的周期和數(shù)據(jù)冗余。

　　芯片的存儲空間是按照塊和頁的概念來組織的，一個芯片分為1 024個塊，每個塊有32頁，每一頁有528 B。528 B中分為512 B的數(shù)據(jù)區(qū)和16個字節(jié)的空閑區(qū)，空閑區(qū)用于存放ECC代碼、壞塊信息和文件系統(tǒng)相關代碼。一個528 B的數(shù)據(jù)寄存器作為數(shù)據(jù)緩沖單元，用來實現(xiàn)I/0緩沖和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

　　使用NAND型FLASH的關鍵技術之一是存儲空間的管理。SAMSUNG公司的NAND FLASH存儲器有一些初始無效塊(包含一個或多個壞位的存儲塊)，制造商不保證這些塊的可靠性。NAND FLASH容許成品中有壞塊存在，這是采用NAND技術所特有的現(xiàn)象。壞塊的存在并不影響有效塊的性能。但是，系統(tǒng)級的設計必須能夠用地址映射把這些壞塊屏蔽掉。芯片在出廠時，除保存壞塊信息的區(qū)域外，其他部分一律被擦除(值為0xFF)，對壞塊的讀操作是允許的，但不推薦進行寫和擦除操作，以免由于結構方面的原因使鄰近的塊也失效。系統(tǒng)設計時必須根據(jù)初始的壞塊信息識別出壞塊，并建立壞塊列表。進行寫或擦除操作時將欲操作塊的地址與壞塊地址表的地址相比較，若是壞塊則應跳過。為了提高存儲空間的效率，單個位數(shù)據(jù)錯誤引起的讀寫失敗都可以用ECC(校錯和糾錯)方法處理。

　　芯片在使用過程中，可能有新壞塊的產(chǎn)生，為了系統(tǒng)的可靠性，必須對此情況加以考慮。在數(shù)據(jù)寫入或塊擦除操作后，如果讀狀態(tài)寄存器出現(xiàn)錯誤，則表示塊內(nèi)有壞頁存在，也即表明此塊已壞，因為塊內(nèi)壞頁的存在并不影響其他頁的讀寫，這時可采用塊替換操作來把頁內(nèi)有用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到其他空閑塊內(nèi)，并把壞塊信息存入壞塊表中。