基于NAND FLASH控制器的自啟動方式實現(xiàn)SOC系統(tǒng)的設計

1、引 言

隨著消費類電子產品包括PDA，MP3、智能手機等手持設備的市場需求逐步擴大，產品間的競爭也愈發(fā)激烈，降低產品的設計成本，提升產品的市場競爭力成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者所面臨的重大挑戰(zhàn)。NAND FLASH和NORFLASH作為兩種主要的非易失性存儲器，被應用于各種嵌入式系統(tǒng)。其中NAND FLASH主要優(yōu)點在于存儲密度高、容量大，有更占優(yōu)勢的存儲性價比。但是NANDFLASH由于其獨特的頁式讀寫方式，并不適合程序的直接執(zhí)行。因此，從NAND FLASH啟動需要片上存儲器作為代碼執(zhí)行的中轉區(qū)。本文所討論的一種系統(tǒng)啟動方式，是在缺少片上存儲器支持的情況下，實現(xiàn)系統(tǒng)直接從NAND FLASH啟動。論文中充分考慮了如何實現(xiàn)軟、硬件之間的協(xié)同工作，以完成SOC系統(tǒng)的設計。

2、NAND FLASH控制器的結構

本文所討論的NAND FLASH控制器是針對一款基于ARM7TDMI的SoC芯片，該控制器在芯片中的位置如圖1所示，作為AMBA總線上的一個從設備集成于AHB上。主要模塊包括總線接口模塊、FIFO緩沖模塊、ECC編碼模塊以及邏輯控制模塊。

總線接口模塊主要的功能是轉換AMBA總線上的控制和數(shù)據(jù)信號：將總線上的數(shù)據(jù)送入FIFO或將數(shù)據(jù)從FIFO讀出到總線上，將總線上的控制信號轉換時序后送到控制模塊。

NAND控制器包含一個寬度為32 b，深度為4的緩沖FIFO，用于解決高速總線與低速設備之間數(shù)據(jù)傳輸速度的匹配問題。為提高總線的傳輸效率，以及控制器設計的便利性，NAND FLASH在總線上的數(shù)據(jù)傳輸采用DMA的方式來完成。譬如在讀取FLASH一頁數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)持續(xù)寫入控制器FIFO，F(xiàn)IFO滿時發(fā)出DMA傳輸?shù)恼埱螅瑫r暫停FLASH的數(shù)據(jù)讀取，控制信號nRE拉高，直至DMA響應請求即FIFO不滿時，F(xiàn)LASH的數(shù)據(jù)傳輸重新開始。當選擇應用的FLASH位寬為8，頁大小為（512+16）B時，控制器需要發(fā)出（32+1）次4拍字寬度的DMA傳輸請求來完成數(shù)據(jù)和校驗信息的讀取。

控制模塊的上作主要是將總線接口轉換的控制信號，按照NAND FLASH的接口協(xié)議．將片選、地址、命令、讀寫使能按照所配置的時序要求，發(fā)送到NAND FLASH中，并且控制數(shù)據(jù)的傳輸個數(shù)，以及DMA請求、數(shù)據(jù)傳輸完成中斷、數(shù)據(jù)錯誤中斷等系統(tǒng)信號。

NAND FLASH可靠性相對較差，存儲器芯片中有壞塊的存在，會導致存儲數(shù)據(jù)出錯。ECC校驗模塊針對NAND FLASH的可靠性問題，提供了一種查錯、糾錯的機制。ECC校驗碼在數(shù)據(jù)讀人時，由硬件計算完成后寫入到FLASH的校驗位中，當此頁數(shù)據(jù)讀出時，校驗碼再次生成與存儲器校驗位中的數(shù)據(jù)進行比較，若相同則沒有損壞位，若不同，則給出出錯中斷，軟件通過檢查比較結果，判斷出錯位的位置進行糾錯處理。糾錯功能僅針對單bit位的出錯，當一個以上位同時在一頁中出現(xiàn)時，ECC校驗不能給出出錯位正確的位置。

3、NAND FLASH工作的軟件流程

按照上節(jié)對控制器結構以及傳輸機理的分析，NANDFLASH的使用需要在FLASH控制器模塊以及DMA控制器模塊的協(xié)同下完成，工作的軟件流程如圖2所示。

軟件驅動的主要工作是配置DMA模塊以及FLASH控制模塊，當傳輸完成，檢測到中斷后，軟件查詢狀態(tài)寄存器，其中的狀態(tài)位來自FLASH。當一次操作完成后，控制器自動向FLASH發(fā)出查詢狀態(tài)的命令0x70，讀出的狀態(tài)字保存在控制器的狀態(tài)寄存器中。

4、NAND FLASH系統(tǒng)啟動的傳統(tǒng)模式

目前支持從NAND FLASH啟動的SoC芯片中，一般都內嵌有片卜存儲器。各個處理器廠商對這塊片上存儲器定義的容量大小有所不同，但是啟動模式都是比較一致的。NAND FLASH按頁順序讀取的方式，意味著對當前的存儲地址訪問后就無法馬上再次訪問，需在當前頁訪問完成后，重新對此頁訪問時，才可對先前的地址單元再次訪問，這就導致了一些程序語句無法執(zhí)行，譬如跳轉、循環(huán)等語句的使用。因此NAND FLASH僅作為啟動代碼的存儲區(qū)，而真正執(zhí)行的存儲器區(qū)域是內嵌的片上存儲器或者片外的SDRAM。

以上文中描述的控制器為例，按照這種啟動模式，程序搬運以及執(zhí)行的過程如下：

系統(tǒng)上電前，外部硬線NAND BOOT開關選擇從NAND FLASH啟動。芯片設計時，默認DMA占有系統(tǒng)總線，DMA按照配置寄存器的默認值工作，其源地址指向NAND FLASH，目標地址指向片上SRAM，NANDFLASH控制器在NAND BOOT選中的情況下，默認向NAND FLASH的首頁發(fā)出讀命令。即上電后，DMA控制器以及NAND FLASH控制器默認的把FLASH存儲器中的第一頁搬到了片上SRAM中。一直到DMA的工作完成前，ARM核無法占用總線。此時零地址映射在片上SRAM，DMA完成搬運后，ARM開始執(zhí)行程序。此段代碼完成的工作包括對SDRAM控制器的初始化，從NAND FLASH搬運核心代碼至SDRAM，配置地址重映射寄存器至零地址處，最后將PC指向零地址的SDRAM。在SDRAM執(zhí)行的代碼開始真正啟動系統(tǒng)。

5、NAND FLASH系統(tǒng)啟動的新方法

一般情況下，片上存儲器在作為啟動代碼轉移階石的同時，往往在啟動后也有其特殊的作用?？梢宰鳛樘厥獾某绦騾^(qū)，譬如在進行MP3解碼過程中，核心解碼函數(shù)作為頻繁調用的程序，可以安排在片上SRAM中，以提高讀取速度，提升系統(tǒng)性能。在SoC芯片開發(fā)過程中，在整體架構以及模塊功能的變化之后，這塊內嵌的SRAM失去了原來的作用，而僅作為NAND FLASH啟動時的代碼跳板，對于整個芯片而言，付出的代價比較大。于是提出了在沒有片上存儲器的架構下，從NAND FLASH啟動的一種新模式。

在上述一般模式啟動過程中，片上SRAM所起到的作用，就是執(zhí)行NAND FLASH中第一頁的代碼，將真正的啟動代碼引入到SDRAM，最后將PC指針指向SDRAM。在失去片上SRAM的支持后，可以在控制器的FIFO中去執(zhí)行此段代碼，這需要在硬件以及軟件代碼中作出適當?shù)母淖儭?（1） 首先需要改變的是地址映射的機制，系統(tǒng)上電后，ARM即從零地址開始執(zhí)行指令，零地址映射到NAND FLASH的FIFO入口地址，地址的譯碼過程由AMBA總線模塊完成。在外部硬線NAND BOOT拉高的條件下，AMBA從設備地址譯碼模塊在啟動過程中，將零地址的設備選擇權給到緩沖FIFO。在第一頁的指令執(zhí)行完畢后，PC指針也指向SDRAM。

（2） 其次是NAND FLASH控制器在啟動過程中，對數(shù)據(jù)的讀取方式。鑒于NAND FLASH大批量數(shù)據(jù)讀寫的特性，往往采用DMA方式對數(shù)據(jù)進行操作。啟動過程中，由ARM core直接向FIFO讀取數(shù)據(jù)，在FIFO讀空的情況下，將從沒備READY信號拉低，等待NAND中的數(shù)據(jù)讀出。并且在此讀取過程中，DMA的請求被屏蔽。

（3） NAND FLASH型號類型眾多，從每頁容量大小、數(shù)據(jù)寬度、地址級數(shù)以及各型號芯片不同的時序參數(shù)，決定了一個控制器接口的兼容性要求相當?shù)母摺榱思嫒輳牟煌腘AND FLASH啟動，設置了4根硬線作為選擇。NAND BOOT選擇是否從NAND FLASH啟動；PAGESIZE選擇每頁大小，支持512 B／page，2 kB／page；IOWIDE選擇數(shù)據(jù)端口的寬度，支持8位、16位；AD-DRESSCYCLE選擇發(fā)送地址級數(shù)，支持3級、4級、5級地址。時序參數(shù)的配置值可以采用默認的寬松值，在讀取首頁信息之后，將配置值根據(jù)當前的時鐘頻率以及芯片類型，選擇舍適的時序值以達到最佳的性能。 （4） 存儲器首頁的代碼是在緩沖FIFO中執(zhí)行的，F(xiàn)IFO的入口地址是一個高24位的選通地址，因此當系統(tǒng)啟動時，零地址開始增加，對FIFO中瀆出的指令而言，低8位地址的變化是無關的，F(xiàn)IFO始終被選通。指令的輸出是默認的順序輸出。這就要求首頁的代碼中不可以出現(xiàn)循環(huán)、跳轉等語句，并且要求在128條指令內完成需要的操作。

6、啟動代碼和流程的分析

上述的匯編程序即是存放在NAND FLASH首頁的啟動代碼，啟動的流程如下：

（1） 配置DMA控制器的4個寄存器，通道使能后，等待FLASH發(fā)出的搬運請求；

（2） 配置NAND FLASH控制器的3個寄存器，選擇適合的地址、時序參數(shù)與所用的FLASH芯片吻合；

（3） 分別在r8～r11中放入程序需要的備用值；

（4） 將需要在SDRAM中運行的4條指令搬入SDRAM 0x30000000處；

（5） 執(zhí)行Nop指令，Nop指令用于填充一頁NANDFLASH中的剩余空間；

（6） 執(zhí)行在頁末的指令，將PC指針指向SDRAM的0x30000000處；

（7） 執(zhí)行SDRAM中的指令，首先啟動NANDFLASH的數(shù)據(jù)傳輸，將程序搬往SDRAM的0x30001000處。其次執(zhí)行一個循環(huán)語句，等待第一頁的程序搬完，之后將PC指針指向0x30001000處，啟動程序從0x30001000處正式開始執(zhí)行。

7、結 語

本文提出了一種NAND FLASH自啟動的新方案，通過對硬件電路以及軟件代碼作合適的調整，從芯片中去除了內部SRAM，降低了SoC芯片的開發(fā)成本。本方案已經通過一款命名為GarfieldV的SoC芯片的測試，達到了預期的效果。

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