Nand-Flash/Nor-Flash存储模块设计

Nand-Flash/Nor-Flash存储模块设计

     随着嵌入式系统越来越广泛的应用，嵌入式系统中的数据存储和数据管理已经成为一个重要的研究课题。Flash存储器具有速度快、成本低等很多优点，因此在 嵌入式系统中的应用也越来越多。为了合理地管理存储数据，进行数据共享，Flash的设计在ARM嵌入式系统中对数据存储和数据管理尤为重要。

1实例说明

在嵌入式设备中，有两种程序运行方式：一种是将程序加载到SDRAM中运行，另一种是程序直接在其所在的ROM/Flash存储器中运行。一种 比较常用的运行程序的方法是将该Flash存储器作为一个硬盘使用，当程序需要运行时，首先将其加载到SDRAM存储器中，在SDRAM中运行。通常相对 于：ROM而言，SDRAM访问速度较快，数据总线较宽，程序存SDRAM中的运行速度比在Flash中的运行速度要快。

 

ARM 中的存储模块示意图如图7-1所示。

其中，各功能模块的含义如下。

(1)系统初始化――进行系统的最小初始化，包括初始化系统时钟、系统的中断向量表、SDRAM及一些其他的重要I/O端口。

(2)映像文件下载――通过一定的方式，得到新的目标程序的映像文件，将该文件保存到系统的SDRAM中。要完成这部分工作，ARM嵌入式设备需要与外部的主机建立某种通道，大部分系统都是使用串行口，也可以使用以太网口或者并行口进行通信。

 (2)Flash写入――根据不同的Flash存储器，选择合适的操作命令，将新的目标程序的映像文件写入到目标系统的Flash存储器中，实现Flash存储器操作的功能模块。

在本实例里，Flash用于存放程序代码、常量表和一些存系统掉电后需要保存的用户数据等。

2 Flash原理

2.1 Nand-Flash与Nor-Flash区别

Flash主要分为Nor-Flash和Nand-Flash两类，下面对二者进行较为详细的比较。

1． 性能比较

Flash闪存是非易失存储器，可以对存储器单元块进行擦写和再编程。任何Flash器件进行写入操作前都必须先执行擦除操作。Nand- Flash器件执行擦除操作十分简单；而Nor-Flash则要求在进行擦除前，先将目标块内所有的位都写为0。擦除：Nor-Flash器件时是以 64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为1～5s；擦除Nand-Flash器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只 需要4ms。

执行擦除操作时，块尺寸的不同进一步拉大了Nor-Flash和Nand-Flash之间的性能差距。统计表明，对于给定的一套写入操作(尤其 是更新小文件时)，更多的擦除操作必须在基于Nor-Flash的单元中进行。因此，当选择存储解决方案时，必须权衡以下的各项因素。

?Nor-Flash的读取速度比Nand-Flash稍快一些。

?Nand-Flash的写入速度比Nor-Flash快很多。

?Nand-Flash的擦除速度远比Nor-Flash快。

?大多数写入操作需要先进行擦除操作。

?Nand-Flash的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。

2． 接口差别

Not-Flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内容的每一字节。

Nand-Flash器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。 Nand-Flash的读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作。很自然地，基于Nand-Flash的存储器就可以取代硬盘或其他 块设备。

3． 容量和成本

Nand-Flash的单元尺寸几乎是Nor-Flash器件的一半。由于生产过程更为简单，NaIld-Flash结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。

Nor-Flash占据了大部分容量为1～16MB的内存市场，而Nand-Flash只是用在8～128MB的产品当中。

4． 可靠性和耐用性

采用Flash介质时，一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF(平均无故障时间)的系统来说，Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较Nor-Flash和Nand-Flash的可靠性。

(1) 寿命(耐用性)

在Nand-Flash闪存中，每个块的最大擦写次数是100万次，而Nor-Flash的擦写次数是10万次。Nand-Flash存储器除 了具有10：1的块擦除周期优势外，典型的Nand-Flash块尺寸要比Nor-Flash器件小8位，每个Nand-Flash存储器块在给定时间内 的删除次数要少一些。

(2) 位交换
  
所有的Flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(Nand-Flash发生的次数要比 Nor-Flash多)，一个比特位会发生反转或被报告反转了。一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障就可能导致系统停 机。如果只是报告有问题，则多读几次就可能解决。

位反转的问题更多见于Nand-Flash闪存，Nand-Flash的供应商建议使用Nand-Flash闪存时，同时使用EDC/ECC算法。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，则必须使用EDC/ECC(纠错码)系统以确保可靠性。

(3) 坏块处理

Nand-Flash器件中的坏块是随机分布的。以前做过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。Nand-Flash器件 需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中，如果通过可靠的方法不能进行这项处理，则将导致高故障率。

5． 易用性

可以非常直接地使用基于Nor-Flash的闪存，像其他存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。由于需要I/O接口，Nand- Flash要复杂得多，各种Nand-Flash器件的存取方法因厂家而异。在使用Nand-Flash器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操 作。向Nand-Flash器件写入信息需要相当的技巧，因为设计人员绝不能向坏块写入，这就意味着在Nand-Flash器件上自始至终都必须进行虚拟 映射。

6． 软件支持

在Nor-Flash器件上运行代码不需要任何的软件支持。在Nand-Flash器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是闪存技术驱 动程序(Memory Technology Devices，MTD)。Nand-Flash和Nor-Flash器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD，但使用Nor-Flash器件时，所需要 的MTD要相对少一些。许多厂商都提供用于Nor-Flash器件的更高级的软件，在Linux系统中采用JFFS驱动，这在后文中将具体讲述。

2.2 Flash驱动

对于Flash芯片的驱动，Linux提供了完善的驱动程序，只需要在内核配置里面选择好相应的类型即可。

在Linux中通过MTD子系统提供的抽象设备机制，来实现对Flash设备的管理控制和数据读写。MTD设备是一类特殊的存储设备，如常用的Flash芯片、CFI卡等。MTD同时提供通过字符设备方式和块设备方式来管理控制MTD设备的机制。

MTD核心层分为：用户模块接口层、MTD抽象层和MTD设备驱动模块层。MTD核心层通过设备驱动模块实现对存储设备的物理访问功能，通过用户模块提供用户空间直接访问的接口。

MTD的设备驱动模块层负责驱动Flash硬件，只需实现实际设备上的访问控制，与内核交互的复杂工作则由MTD抽象层完成。其中也对 Nand-Flash的驱动进行了抽象，还实现了错误检测与纠错(ECC)和坏块处理等用户模块层提供从用户空间直接访问的接口，上层应用只需通过MTD 抽象层提供的字符设备方式或块设备方式来访问MTD抽象设备，然后通过MTD的内部机制把这些请求交给实际的驱动模块去执行。MTD抽象层定义了抽象的 MTD设备结构，对于具体设备的驱动模块，需要设计好公共函数的实际内容，并在检测到实际设备后注册一个MTD设备，然后就可通过MTD提供的字符设备访 问方式或块设备访问方式直接使用具体的硬件设备。

MTD程序编写在以后的章节里会详细介绍。

3硬件电路设计

在系统中使用了两种Flash芯片，其中Nor-Flash主要用于存放系统代码，而Nand-Flash主要用于存放用户信息。

3.1 Nor-FIash的设计

系统所用的Nor-Flash芯片是Intel公司的E28F128J3 Flash，如图7-2所示。128Mbit的存储空间由128个128KB(131072字节)的擦除块组成。擦除块是相互独立的，每一块的擦除操作都 可以在1s内完成。每一块可以独立地被擦除100000次。这些块可以分别设定为是可锁的或是非可锁的，由一个锁定位来控制。还有一个128bit的保护 寄存器可以复用。

该 Flash采用25根地址线和16位数据线，可以通过nBYTE这个信号来选择是8位还是16位方式访问。该系统是采用16位方式访问的，因此该信号线接 高电平，同时A0地址线不起作用，一同接高。nOE／nWE是读写信号，由EP7312的读写控制线直接控制。Flash的片选信号有3个，它们组合后的 结果如表7-1所示。

系统中将CEl、CE2信号接高，CE0由ARM的CS0片选线来控制。

3.2 Nand-Flash的设计

     系统中所采用的Nand-Flash芯片是Samsung公司的K9F2808U。该器件存储容量为16M×8位，除此之外还有512KX 8位的空闲存储区。该器件采用TSSOP48封装，工作电压为2.7～3.6V。8位I/O端口采用地址、数据和命令复用的方法，这样既可减少引脚数，又 可使接口电路简捷。

由于ARM系统没有Nand-Flash控制所需要的CLE、ALE信号，因此需要利用ARM的通用GPIO口。具体的连接电路如图7-3所示。

?命令锁存使能(CLE)，使输入的命令发送到命令寄存器。当变为高电平时，在WE上升沿命令通过I/O口锁存到命令寄存器。

?地址锁存使能(ALE)，控制地址输入到片内的地址寄存器中，地址是在WE的上升沿被锁存的。

?片选使能(CE)，用于器件的选择控制。在读操作、CE变为高电平时，器件返回到  备用状态；然而，当器件在写操作或擦除操作过程中保持忙状态时，CE的变高将被忽略，不会返回到备用状态。

?写使能(WE)，用于控制把命令、地址和数据在它的上升沿写入到I/O端口；而在  读操作时必须保持高电平。

?读使能(RE)，控制把数据放到I/O总线上，在它的下降沿tREA时间后数据有效；同时使内部的列地址自动加1。

?I/O端口，用于命令、地址和数据的输入及读操作时的数据输出。当芯片未选中时，                I/O口为高阻态。
?工写保护(WP)，禁止写操作和擦除操作。当它有效时，内部的高压生成器将会复位。

?准备/忙(R/B)，反映当前器件的状态。低电平时，表示写操作或擦除操作以及随机读正进行中；当它变为高电平时，表示这些操作已经完成。它采用了开漏输出结构，在芯片未选中时不会保持高阻态。

3.3 Nor-F1ash/Nand-FIash跳线选择

由于ARM提供了Nand-Flash Boot-loader技术和可选择的多种启动方式，因此硬件设计中同时设计了Nor-Flash和Nand-Flash，通过跳线选择启动方式，如图7-4所示。

4软件设计

     Flash 存储器的支撑软件包括基本的读/写/擦除操作和上层的闪存管理软件，采用的嵌入式Linux操作系统中通过MTD子系统提供的抽象设备机制，来实现对Flash设备的管理控制和数据读写。

4.1 FIash数据存储操作流程

     向Flash存储器的特定寄存器写入地址和数据命令，就可对Flash存储器进行烧写、擦除等操作，但操作必须按照一定的顺序，否则就会导致Flash存 储器复位而使操作命令无法完成。编程指令只能使“1”变为“0”，而擦除命令可使“0”变为“1”，因此正确的操作顺序是先擦除，后编程，当Flash存 储器被擦除以后，读出的内容应全为0xFF。

对Flash操作的程序流程如图7-5所示。

系统启动后，对系统关键设备(包括ARM、sI)RAM、N0r-Flash和Nand-Flash等)进行初始化操作，然后启动Boot-loader，将Nand-Flash上的Linux内核读入SDRAM执行。

初始化时，除了对Flash内部寄存器进行初始化设置外，还需要设置ARM的寄存器。

4.2程序代码说明

对Flash存储器的烧写、整片擦除、按扇区擦除及其他操作，都可以通过编程实现(见如下代码)。对于编写连续烧写Flash存储器多个存储单元的 程序，只需循环执行即可，但应在对每个单元烧写命令发出后进行检测，保证前一个单元烧写结束后再进行下一个存储单元的烧写，当然也可采用延时等待的方法进 行连续的烧写。

在读取Flash的时候不一定读取一个block，可以按照实际需要的地址读取；但是在写的时候一次需要擦除一个扇区，然后再写入。读取子程序设定了一次读取一个扇区，目的是为了按需要更改后再写入。

5实例总结

     ARM与Flash存储器的接口电路设计与调试，以及对Flash存储器的编程与擦除是ARM系统设计中的一项重要部分，Flash存储器通常装载着嵌入 式系统的Boot-loader程序和操作系统的核心代码，因此Flash的稳定与否直接决定整个系统能否运作。

本章讲述了两种Flash芯片――Nor-Flash和Nand-Flash的特点、软硬件设计，在对Flash的编程中，需要注意以下三个方面。

   ?在Flash编程之前应先擦除Flash，对Flash进行擦除过程将持续一段时间(视不同的Flash芯片而定，具体的可以查找Flash芯片典型擦除时间，一般为20s左右)，擦除后Flash的数据为全FF。

   ?对Flash编程的过程，将持续很长时间，通常编程50KB的文件需要15分钟左右(视不同的Flash芯片、上位机和操作系统而定)。

   ?擦除Flash操作不可恢复，对Flash编程需使用“初始化配置”，如关闭看门狗、关闭系统对Flash空间的缓冲、设置对Flash空间的操作时序等。