用FPGA实现大容量闪存控制器【精品论文】 .pdf

2 0 0 4 年第1 8 卷增刊测试技术学报v o i 1 8s u p p 2 0 0 4 j o u r n a lo ft e s ta n dm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y 用f p g a 实现大容量闪存控制器 孟令军张会新林华亮 ( 华北工学院电子科学与技术系，太原0 3 0 0 5 1 ) ( 仪器科学与动态测试教育部重点实验室( 华北工学院) ，太原0 3 0 0 5 1 ) 摘要( 本文介绍了作者利用f p 6 a 设计的大容量闪存控制器。该控制器采用v h d l 进行设计，并用a l t e r a 公司的 e p f l 0 k 2 0 器件完成硬件电路。它的主要功能是用硬件实现n a n d 型闪存复杂的读、写及擦除时序，简化了外部接口， 提高了读写速度及工作可靠性。该控制器可以用于海量数据采集系统中。) 关键词闪存控制器，v 叻l ，f p g a 1 n a n d 型大容量闪存及应用 目前3 2 m 字节以上的大容量闪存( f l a s hm e m o r y ) 一般为n a n d 型产品。其特点是容量大，体积 小，读写速度快，目前被广泛应用在诸如u 盘、海量数据存储模块等设备中。n a n d 型闪存在读写时 序上较其它存储器要复杂，使用过程中会产生随机的无效的坏扇区( 块) ，需要在使用中进行识别和 处理，因此，这种存储器大多需要微处理器或专用的闪存控制器米进行操作管理。采用微处理器管 理在使用上较方便，但受指令周期的限制，无法满足高速数据记录方面的要求，而市面上发布的闪 存控制器一般是针对u 盘等通用设备开发的，在很多场合无法使用，因此，很多闪存应刚需要研制 专用的闪存控制器。本文介绍了作者在开发大容量闪存过程中研制的一种闪存控制器。图1 所示的 是闪存控制器在大容量数据记录系统中的应用。 图l闪存控制器在数据记录系统中的应用 本文作者使用的是韩国三星公司生产，型号为9 k 1 g 0 8 u 0 m y c b 0 的闪存。其容量为1 2 跏8b i t ， 采用4 8 引脚t s o pi 封装，尺寸仅为1 2 x 2 0 m m 。该芯片为数据地址公用总线方式，存储器内部分 为8 个1 2 8m b i t 的层( p l a n e ) ，每层包括l ，0 2 4 个块及5 2 8 ( 5 1 2 + 1 6 ) 8b i t ) 字节的页数据存 储器；每块= 3 2 页= ( 1 6 k + 5 1 2 ) 字节：最小读写时钟周期：5 0 n s 。写数据时，采用页面编程方式， 每次仅需进行一次的5 字节命令字及地址字操作，即可连续写5 2 8 字节。它有两种数据读出模式： 模式l ：从给定的起始地址开始连续读：读全部5 2 8 字节。模式2 ：从给定的起始地址开始连续读； 收稿日期：2 0 0 4 0 4 1 2 万方数据 1 5 0测试技术学报2 0 0 4 年6 月 只读每页中的后1 6 字节。在连续读数据时，也只需进行一次的块地址操作，便可在一个块中进行连 续页面读，直到读完该块。该芯片还支持对每块中的4 个页面同时进行编程或擦除操作，非常适合 于高速数据操作：芯片操作模式如表1 所示。页编程时序如图2 所示。 龠令地址片进写谦写僳护攫式 填存填存( 低育效)( 低育期( 任育敲)低有散) c l e l e c ew enw pn 幻d e hllthx龠令输入 读曩式地址输入4 时钟 lhlthx 用期 hllthh令输入 写擅式埔址t 入4 时钟 lhlthh 朋， lll t hh数据输入 lllhix顺序读强数据输出 lllhhx读过程【忙) xxxxxh曩程过程忙 xxxxx h撩黧过理 亡) xxxxxl写惧护 表1 芯片操作模式 圈2 闪存的页编程时序图 2 写控制器工作原理 页的起始地址通过外部数据输入，并利用地址译码将4 字：肖的地址数据锁存到地址发生器中。 当写模式启动后，写逻辑发生器开始按照顺序依次输出控制字和数据，等待编程完成后判别编程是 否成功，如果成功，则将页地址发生器累加一个页地址，开始下一次的写过程，如果失败，则将该 页地址写入o o h 块中，作为无效块地址表，以便将来读数据时使用，然后更改页地址发生器，开始 新的编程过程。 图3 闪存控制器的写模块原理框图( 部分) 瓦 漉 三| 露 蜘 一黼 万方数据 旦e 丛塞毽太窒量因叠塑剑矍l 重金至笠21 主! 该模块采用v h d l 设计，采用多进程方式。图为写逻辑发生器v h d l 程序的结构体结构： p r o c 麟i ( ) 计数器按左栏 c 0 伽- c o u n t + l ：d s i fc o t m l 5 锄dc 0 删吐 5 3 3t h 叽 p r o c s 2 ( )写数据 i fc o u n t _ lt h 钆 e l s i f c o u n t 一5 3 3 t t l m c u e 一l ：c o u n t 尸5 3 3 ： 写命令字8 0 h ，写命令字1 0 h ， c l e - - 0 ： p r o c e 嚣3 0 d s i fc o u m _ 2 也e n 功能t 写列地址： 1 等待编程完成， d s i fc o 硼t _ 3 也e n 2 写命令字7 0 h i a ie _ i o i 3 判剐编程是否成功， 写页地址l ：若不成功。则进行块复制。 d s i fc o u n t t l l m 并更改无效块地址襄， 写页地址2 ： 若成功。更改页起始地址， d s i fc o u f n _ 5t h 令c o 瑚l 卸执行新的写过 写顶舭3 ：程 图4 写逻辑发生器结构体结构 m a xp l u si i 的功能仿真波形( 局部) ： n a me 一v a i ue 。1 q u s2 q u s3 q u s4 q u s5 q u s 嗣- c i k 0 嗣- c l e0 豳黼0 函乏乏一 ：厂1 ，一 ：厂 ；r 。广 i 门；r r 厂 i 厂 。厂 园- a l e 0 l| | | ； ! ：! | | | ；：= _ _ 豳n r e 1 | ；|；| -；| ：- i 叠芦1 0 p 0 】 h x 面如目薄曹砸 国- r ，n b 1 ： | ；：； _ ! ! ； ；| ；i ； ：! ! | ；一；! ；! o 、 图5v h d l 程序功能仿真波形图 3 关于无效块的检测与处理 由于生产工艺的原因，n a n d 闪存在出厂时就可能存在若干个无效块。出厂时所标注的无效块不 可以进行擦除或编程操作，新片子在使用前应进行无效块检测，并建立一个无效块地址表，在进行 数据写入时，应跳过这些无效块。另外，闪存在使用过程中也可能产生无效块，因此闪存在编程时 必须进行结果检测，如果对当前块的编程失败，应自动对下一块进行编程。为了提高数据可靠性， 一般要采用e c c ( e r r o rc o r r e c t i o nc o d e 一纠错码) 技术来对写入的数据进行纠错。在闪存中，一 般采用汉明码，可以纠正数据中的1 位错误。我们在设计e c c 模块时，利用每页中的后1 6 字节作为 校验字节，采用v h d l 进行设计，取得了较好的数据纠错效果。 2 结论 该控制器硬件最后由一片a l t e r a 公司的e p f l o k 2 0 器件完成，包括对闪存芯片的读、写及擦除 操作。时序仿真表明该控制器工作时序正常，写入速度高，可以满足高速数据传输的要求。由于采 用v h d l 进行模块化设计，具有良好的可移植性，在使用不同厂家的f p g a 器件时，无须更改即可使 用，缩短了设计周期，有效地降低了成本。 参考文献： 1 宋万杰，罗丰等c p l d 技术及其应用 m 西安：西安电子科技大学出版社，1 9 9 9 万方数据 1 5 2测试技术学报 2 0 0 4 年6 月 2 朱鹏飞，赵雅兴视频图像捕获系统s r a m 控制器的f p g a 实现 j 半导体技术，2 0 0 2 ，2 7 ( 6 ) ：1 8 2 2 3 罗玉平，施业斌等s d r a m 视频存储控制器的设计与实现 j 微型机与应用，2 0 0 2 ，2 l ( 9 ) ：2 3 2 5 4 王冰容用于存储器容错的纠、检单向字节错误码的 砹计华东交通大学学报，1 9 9 9 ，1 3 ( 1 ) ：5 7 6 1 a p p l i c a t i o no ff p g a i nf l a s hm e m o r yc o n t r o l l e r m e n gl i n 萄u n ，z h a n gh u i x i n ，l i nh u a l i 绷g ( d e p t o fe i e c 订0 n i cs c i e n c ea n dt e c h n o r n lc h i n au n i v e r s i t yo fs c i e n c e 锄dt e c h n o i o g yt a i y u a n ，0 3 0 0 51 ) ( k c yl a b o r a t o 叫o fi n s t m m e n t a t i o