1 引言
隨著存儲技術(shù)的不斷進步，Flash Memory的存儲容量越來越大，讀寫數(shù)度越來越快。性能價格比越來越高。但是，NAND Flash本身存在缺點，歸納起來有兩點：讀寫控制時序復(fù)雜和位交換(o、1反轉(zhuǎn))問題。NAND Flash器件能夠復(fù)用指令、地址和數(shù)據(jù)總線，從而節(jié)省了引腳數(shù)量，但引腳不僅承擔(dān)著數(shù)據(jù)總線的功能，還承擔(dān)著地址及指令總線的功能，所以造成接口控制時序復(fù)雜。位反轉(zhuǎn)的問題更多見于NAND Flash，NAND Flash的供應(yīng)商建議使用NAND Flash的同時使用EDC/ECC校驗算法。
本文實現(xiàn)的NAND Flash控制器放置在CPU和NANF Flash器件之間，實現(xiàn)了NAND Flash的無粘接接口，可以大大簡化CPU對NAND Flash的操作時序，提高CPU的使用效率。ECC功能可以保證存儲數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，ECC模塊和主控模塊相對獨立，在不需要ECC功能的時候，只需不使能ECC模塊，方便靈活。
2 控制接口電路的功能特性
整個控制接121電路分為兩大功能模塊：第一個功能模塊為主控制器模塊，該模塊簡化NAND Flash的接口時序，可以為NAND Flash設(shè)計一個無粘接接口(Glueless Inter一face)，從而使得對NAND Flash操作的時序復(fù)雜程度大大降低，使得NAND Flash接口映射為一個類似于SRAM的無粘結(jié)接口。第二個功能模塊是ECC模塊，該模塊對512個字節(jié)能糾正單比特錯誤和檢測雙比特錯誤，但對單比特以上的錯誤無法糾正。對兩比特以E的錯誤不保證能檢測。
兩個功能模塊相對獨立，ECC功能模塊位于主控制器模塊與NAND Flash芯片之間，可以選擇工作與不工作，主控制器模塊的所有命令都會通過ECC模塊傳給NANDFlash芯片。當(dāng)令ECC模塊不工作時。ECC模塊就相當(dāng)于連接主控制器模塊與NAND Flash芯片的導(dǎo)線；當(dāng)ECC模塊工作時。只會在豐控制器模塊的操作中加入一些步驟，并不會打亂主控制器模塊的操作時序。
3 主控制器
3．1寄存器和緩存配置
主控制器的外部接口類似于SRAM的，然而SRAM只有讀和寫兩種主要操作。而NAND Flash除r頁編程與讀操作之外還有ID讀取、重置、塊擦除和狀態(tài)讀取等操作，在不改變接口的情況下只能采用與NAND Flash類似的寫控制字的方式。主控制器有16字節(jié)寄存器組，可以從I／O總線上讀取指令和地址。指令寄存器采用存儲器映射(Memory Mapped Register)的編址方式，也就是說，寄存器的地址統(tǒng)一編入內(nèi)存空間，從0xFF0到OxFFA。
3．2主控制器的實現(xiàn)
主控制器的結(jié)構(gòu)框圖見圖1。下面分別討論時鐘控制模塊和狀態(tài)控制模塊的設(shè)計實現(xiàn)。
(1)時鐘控制模塊。對于這種讀寫使能都是低電平有效的芯片，采用占空比為1：1的時鐘進行讀寫操作對提高數(shù)據(jù)的存取速度并不劃算。比如，進行讀取操作時，RE_L至少要保證低電平35ns才能保證數(shù)據(jù)被正確讀取，RE_L上升為高電平后只要保證數(shù)據(jù)再被保持10ns的時間就行，這樣加上5ns的余量，時鐘周期至少也要為80ns。為r保證數(shù)據(jù)能夠被正確讀取，并盡量提高讀取速度，我們采用16．7MHz即周期為60ns，占空比為1：2的時鐘。這種情況下，低電平持續(xù)時間為40ns，35ns數(shù)據(jù)確信被讀取后，仍有5ns的余量，高電平有20ns時間，也很充裕，既保證了數(shù)據(jù)的正確讀取。又充分發(fā)揮了器件的性能。
(2)狀態(tài)控制模塊。如圖2所示，主控制器執(zhí)行可控制
NAND Flash進行重置、塊擦除、頁讀取、查錯、讀ID。頁編程和狀態(tài)讀取指令的操作，不支持對NAND Flash的隨機讀寫操作。當(dāng)?shù)刂份斎霝?xFFA時，指令寄存器中的命令字就會被讀取，確定下一步要執(zhí)行的指令，然后轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的狀態(tài)。
4 ECC模塊
NAND Flash器件都受位交換現(xiàn)象的困擾，在某些情況下一個比特位會發(fā)生反轉(zhuǎn)。本節(jié)論述了專用校驗算法ECC(Error Correction Code，簡稱ECC的設(shè)計實現(xiàn)過程。ECC模塊被置于NAND Flash器件和主控制器之間，ECC模塊從主控制器接收各種信號，不需要工作時直接將收到的信號傳給NAND Flash。需要工作時截取主控制器的控制信號，加七自己的操作后再傳給NAND Flash。ECC模塊結(jié)構(gòu)見圖3。
(1)校驗碼生成模塊。ECC校驗碼生成模塊有96比特(12字節(jié))的運算寄存器供運算時暫存數(shù)據(jù)，分成四組每組三字節(jié)的寄存器，這些寄存器保存著奇偶校驗值(也就是各位的異或值)，每當(dāng)數(shù)據(jù)送人時這些寄存器的值就更新一次。這些奇偶校驗標(biāo)志的計算基于每字節(jié)數(shù)據(jù)的順序位置及數(shù)據(jù)本身。
(2)糾錯模塊。當(dāng)NAND Flash進行讀操作時，讀出的數(shù)據(jù)將會被ECC碼生成模塊重新計算ECC碼。當(dāng)主控制器讀完一頁的所有2 010字節(jié)數(shù)據(jù)后，ECC模塊開始讀取事先寫入的FffX2校驗碼，這些校驗碼按字節(jié)移人查錯模塊的移位寄存器中。當(dāng)3字節(jié)校驗碼移入寄存器后，查錯模塊將其與新牛成的ECC碼做異或運算并確定錯誤類型及位置，同時將錯誤信息存入一個14位的寄存器中。
(3)狀態(tài)控制模塊。ECC模塊的狀態(tài)控制部分控制整個ECC模塊的工作時序，見圖4，同時根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)信息輸出狀態(tài)信號。對于讀操作，計算一次ECC碼需要512字節(jié)，因此每次至少要讀出512字節(jié)的數(shù)據(jù)。為簡單起見，我們只對N趟蛔Flash進行整頁的讀操作，總線上傳輸前2 048字節(jié)數(shù)據(jù)時，ECC模塊計算ECC碼，傳后12字節(jié)數(shù)據(jù)時，ECC模塊將其存下，待數(shù)據(jù)傳輸完畢后進行校驗，將存下的E(℃碼與計算出的ECC碼進行按位異或，確定數(shù)據(jù)的正確性。對于寫操作，與讀操作類似，寫操作也要以整頁為單位進行。數(shù)據(jù)一邊傳入NAND Flash，ECC模塊同時計算ECC碼。當(dāng)主控制模塊傳人第2 010字節(jié)數(shù)據(jù)后，ECC模塊接管數(shù)據(jù)總線，將自己計算出的ECC碼傳人NAND Flash。對于查錯操作，當(dāng)主控制器下0x23指令時進入該狀態(tài)。將每頁2 048字節(jié)數(shù)據(jù)共產(chǎn)生的8字節(jié)錯誤信息，包括錯誤的位置及種類傳送給主控制器，對于其它操作指令直接傳給NAND Flash芯片。
5 控制接口電路的驗證
對塊擦除指令、頁讀取指令、頁編程指令、重置指令進行功能仿真。地址0XFFA為指令寄存器，0x6代表塊擦除，0x0代表頁讀取，0x8代表頁編程，0xF代表重置。仿真結(jié)果如圖5~圖8所示。通過和NAND Flash器件要求的時序圖對比可以看出，控制器輸出的信號完全符合器件的要求。
6 結(jié)束語
本文在分析了NAND Flash產(chǎn)品特性的基礎(chǔ)上，給出了NAND Flash控制接口電路的設(shè)計方案和驗證結(jié)果。本文的創(chuàng)新點是采用同步設(shè)計和FSM設(shè)計方法，控制接口電路能夠正確地將以SRAM時序輸入的塊擦除、頁讀取、頁編程、ID讀取、重置、狀態(tài)讀取操作指令轉(zhuǎn)化為NANDFlash器件要求的操作時序，大大簡化了NAND Flash的讀寫控制時序。另外，接口控制電路還能實現(xiàn)ECC功能，具有512個字節(jié)中發(fā)現(xiàn)2比特錯誤、糾正l比特錯誤的檢錯糾錯能力。接口控制電路的各個指令操作功能在Xilinx的Spartarr3 Board上得到了驗證，工作最高頻率達到100MHz。