（电子科学与技术专业论文）基于opb总线的nand+flash控制器设计与验证.pdf

桀于o p b 总线的n a n df l a s h 控制器的设计j 验证 a b s t r a c t f l a s hm e m o r ys a l e sc o n t i n u et og r o wi nr e c e n ty e a r s ，n a n df l a s hi sn o w t h em a i nn o n v o l a t i l en a s hm e m o r yt e c h n o l o g yi nt h em a r k e t ，b u ti th a sp r o b l e m ss u c h a s c o m p l e xc o n t r o ls e q u e n c ea n db i t r e v e r s a l t h i sp a p e rd e v e l o p m e n t sn a n d f l a s hc o n t r o l l e ro nt h eb a s i so fa n a l y s i n gt h en a n df l a s ho w ns h o r t c o m i n g s ， a n da l s oa d d sa no p bg e n e r a lb u si n t e r f a c ef o rt h ec o n t r o l l e r ，m a k i n gt h ec o n t r o l l e r c a nb eu s e da sas l a v ee q u i p m e n to ft h eo p bg e n e r a lb u s ，s ot h ec o n t r o l l e rc a nb e u s e df o rs o c d e s i g ne a s i l y f i r s t l y ，a f t e rr e s e a r c h i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h e f l a s hm e m o r yp r o d u c t ，t h eo w ns h o r t e c o m i n g so fn a n df l a s hi sp o i n t e do u t ，t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ep o i n t e do u tb yc o m p a r i n gt h en a n df l a s h a n d n o r f l a s h ，t h es i g n i 行c a n c eo fd e v e l o p i n gn a n df l a s h c o n t r o l l e rb a s e do no p b g e n e r a lb u si sd e s c r i b e do nt h i sb a s i s s e c o n d l y ， t h et e c h n i c a lb a s i sf o rc o n t r o l l e rd e s i g ni sd i s c u s s e dt h r o u g ht h e a n a l y s i so fo r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r e ， c o m m a n do p e r a t i o n sa n da c - c h a r a 瘐毫：i 。t i c p a r a m e t e r s ，t h e nt h eo p bb u st e c h n 0 1 0 9 ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o ct e c h n o l o g y a r ed e s c r i b e d t h i r d l y ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eb u si n t e r f a c em o d u l ea n dc o n t r o l m o d u l ei sc o m p i e t e da c c o r d i n gt ot h eb a s i cd e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h ec o n t r o l l e r ，a n d m o d u l a rd e s i g nc o n c e p ti su s e db yt h ec o n t r o ll e r t h ed e c o d i n gm o d u l e ，d a t af i f o m o d u l e a d d r e s sf i f om o d u l e ，m a i nc o n t r o lm o d u l ea r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h e r e a l i z a t i o nm e t h o do fc l o c kc o n t r o lm o d u l ei sd i s c u s s e ds p e c i f i c a l l y ，t h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o np r o c e s so ft h es t a t em a c h i n eo ft h ec o n t r o lm o d u l ef o rr e a l i z i n gt h ep a g e r e a dc o m m a n d ，p a g ep r o g r a mc o m m a n d ，b l o c ke r a s ec o m m a n d ，i dr e a dc o m m a n d ， r e s e tc o m m a n di sd e s c r i b e d a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fe c ca l g o r i t h m ，t h e r e a l i z a t i o nm e t h o do fe c cc o d eg e n e r a t i o n ，e c ce r r o rd e t e c t i o na n dc o r r e c t i o ni s p r o p o s e d f o u r t h l y ，t h ev e r i f i c a t i o ne n v i r o n m e n ta n dt h ev a r i o u sp a r t so fi ta r ei n t r o d u c e d ， t h er mm o d u l ei se m p h a s i z e di n t r o d u c e d ，a n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fc h e c k i n ga c c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n df s mi sd e s c r i b e di nd e t a i l t h em e t h o do fe c c f u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o ni sd e s c r i b e do nt h i sb a s i s ，t h er e s u l t so fo p e r a t i n gi n s t r u c t i o n s f - u n c t i o n a ls i m u l a t i o na r eg i v e n 硕f j 学位论文 f i f t h l y ，t h es y n t h e s i sa n dr o u t ep l a c er e s u l to ft h ec o n t r o l l e ra r ep r o p o s e d ，b o t h t h er e s o u r c e so c c u p i e da n dt h er e s u l to fs t a t i ct i m i n ga n a l y s i sa r ei n t r o d u c e d ，t h e a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n ti sd i s c u s s e d t h ec o m m a n df u n c t i o n so ft h en a n df l a s h c o n t r o l l e rb a s e do no p bb u sa r et e s t e di nas o ce n v i r o n m e n t t h er e s u l t so ft h e t e s t i n ga r eg i v e n t h ef i n a lt e s tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ef u n c t i o n so ft h ed e s i g n e dn a n df l a s h c o n t r o l l e rb a s e do no p bg e n e r a lb u ss u c ha sb l o c ke r a s ec o m m a n d ，p a g er e a d c o m m a n d ，p a g ep r o g r a mc o m m a n d ，i dr e a dc o m m a n d ，s t a t u sr e a dc o m m a n d ，r e s e t c o m n l a n dr e a c ht h ee x p e c t e dr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：n a n df l a s h ；c o n t r o l l e r ；o p bg e n e r a lb u s ；e c c ；f s m i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：王1 0 受日期：2 0 0 ( 7 年5 月2 6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：王) 帐 刷磁轹糯 日期：五q c l 年与月2 6 日 日期：劲，年多月力多日 硕l ：学位论文 1 1 选题背景 第l 章绪论 目前有许多厂商都在生产n a n df l a s h 产品，各家的产品缺乏统一的标准， 甚至来自于同一家供应商的新型n a n df l a s h 也有可能与过去的产品不兼容。 但实际上，各家的产品差别并不大，指令、寄存器集、引脚排列、电气参数特性 都比较相似，n a n df l a s h 业界团体“o p e nn a n df l a s hi n t e r f a c e ( o n f i ) 制 定了连接n a n df l a s h 和控制芯片的接口标准“o n f i1 0 ”，为n a n df l a s h 产品的标准化铺平了道路。 自2 0 0 0 年优盘( 闪存盘) 被发明以来，f l a s hm e m o r y 的产量就直线上升，最近 十年来日益普及的数字移动电话，数码相机，数字摄像机等都已广泛利用f l a s h m e m o r y 作为永久存储器。随着存储技术的不断进步，f l a s hm e m o r y 的存储容量 越来越大、读写数度越来越快、性能价格比越来越高【2 1 。但是n a n df l a s h 本身 也存在缺点，归纳起来有两点：一是读写控制时序复杂；二是位交换( o 、l 反转) 问题。 s o c 技术将数字电路、模拟电路、信号采集和转换电路、存储器、m p u 、m c u 、 d s p 等集成在一块芯片上实现一个系统；将电路系统设计的可靠性、低功耗等都 考虑在i c 设计之中，外部可以对s o c 进行编程；把过去许多需要系统设计解决的 问题集中在i c 设计中解决，使系统工程师可以将精力集中在研究对象领域中，使 传统电子系统全面进入了现代电子系统。s o c 成为微电子领域i c 设计的最终目标 和现代电子系统的最佳选择。 选题主要结合n a n df l a s h 器件的自身缺点和s o c 技术，解决n a n d f l a s h 器件本身存在的缺点并使得设计能够方便集成进s o c 。第一，添加o p b 总线接口，使得控制器可以作为o p b 总线的从设备使用；第二，简化n a n df l a s h 的读写控制时序，实现n a n df l a s h 与几乎任何处理器之间的无粘结接口；第 三，完成数据的错误校验和纠正功能【3 】。 1 2f l a s hm e m o r y 产品现状及发展趋势 1 2 1f l a s hm e m o r y 产品现状 f l a s hm e m o r y 分为两种n a n df l a s h 和n o rf l a s h ，由于采用不同的技 术，n a n df l a s h 与n o rf l a s h 在各方面的性能差距比较大。 慕于0 p b 总线的n a n df i a s h 控制器设计i 验证 1 速度 n a n df l a s h 的最大优点在于编程( 写) 和擦除操作的速率快，而n o r 的优 点是具有随机存取和对字节执行编程( 写) 操作的能力。n o r 的随机存取能力较好， 能够支持直接代码执行，而这是嵌入式应用经常需要的一个功能。n a n d 的缺点 是随机存取的速率慢，n o rf l a s h 的缺点是受到读和擦除速度慢的性能制约【4 1 。 因此n a n df l a s h 较适合存储连续的大容量数据，如图片、音频或个人电脑数 据，n o rf l a s h 主要用来存储需要反复读取的程序文件。 2 接口差别 对于1 6 位的器件，n o rf l a s h 大约需要4 1 个i o 引脚；相对而言，n a n d 器件仅需2 4 个引脚。n a n df l a s h 器件能够复用指令、地址和数据总线，从而 节省了引脚数量。复用接口的一项好处，就在于能够利用同样的硬件设计和电路 板，支持较大的n a n d 器件。由于普通的t s o p 1 封装已经沿用多年，该功能让 客户能够把较高密度的n a n d 器件移植到相同的电路板上。n a n d 器件的另外一 个好处显然是其封装选项：n a n d 提供一种厚膜的2 g b 裸片或能够支持最多四颗 堆叠裸片，容许在相同的t s o p 1 封装中堆叠一个8 g b 的器件。这就使得一种封 装和接口能够在将来支持较高的密度n o rf l a s h 带有s r a m 接口，有足够的地 址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节【5 】。 3 容量和成本 由于n a n df l a s h 的存储单元中没有金属触点，而n o rf l a s h 的每一个 单元都需要独立的金属触点。因此n a n df l a s h 的单元尺寸几乎是n o rf l a s h 器件的一半，而且生产过程更为简单，n a n d 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。n o rf l a s h 占据了小容量闪存市场的大 部分，而n a n df l a s h 主要用在大容量的数据存储产品当中【刚。n a n df l a s h 在c o m p a c t f l a s h 、s e c u r ed i g i t a l 、p cc a r d s 和m m c 存储卡市场上所占份额最大。 4 耐用性 在n a n d 闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而n o r 的擦写次数是 十万次。n a n d 存储器除了具有1 0 比1 的块擦除周期优势，典型的n a n d 块尺 寸要比n o r 器件小8 倍，每个n a n d 存储器块在给定的时间内的删除次数要少 一此【7 】= =o 5 可靠性 n a n df l a s h 器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下_ 个比特位会发生 反转或报告反转。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， 这个小小的故障可能导致系统死机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决 了。当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测错误更正( e d c e c c ) 算 法。位反转的问题更多见于n a n df l a s h ，n a n df l a s h 的供应商建议使用 硕i j 学位论文 n a n df l a s h 的时候，同时使用e d c e c c 校验算法。这个问题对于用n a n d f l a s h 存储多媒体信息时倒不是致命的1 8 】。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，必须使用e d c e c c 系统以确保可靠性。 6 坏块处理 n a n df l a s h 中几乎都存在坏块，坏块的位置和数量是随机分布的。以前也 曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。n a n d f l a s h 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，将导致高故障率。n o r 则 几乎不存在这个问题。 7 易用性 可以非常直接地使用基于n o rf l a s h 的闪存，可以像其他存储器那样连接， 并可以在上面直接运行代码。由于i o 总线复用，n a n df l a s h 要复杂得多，各 种n a n df l a s h 器件的存取方法因厂家而异。在使用n a n df l a s h 器件时，必 须先写入驱动程序或使用本文中这样的n a n df l a s h 控制器，否则操作n a n d f l a s h 将是一项非常繁琐的事。向n a n df l a s h 器件写入信息需要相当的技巧， 因为设计师绝不能向坏块写入数据，这就意味着在n a n df l a s h 器件上自始至 终都必须进行虚拟映射及坏块管理【9 1 。 8 软件支持 当讨论软件支持的时候，应该区别基本的读、写、擦操作和高一级的用于磁 盘仿真和闪存管理算法的软件，包括性能优化。在n o rf l a s h 器件上运行代码 不需要任何的软件支持，在n a n df l a s h 器件上进行同样操作时，通常需要驱 动程序，也就是内存技术驱动程序( m t d ) ，n a n df l a s h 和n o rf l a s h 在进行 写入和擦除操作时都需要m t d 。使用n o r 器件时所需要的m t d 要相对少一些， 许多厂商都提供用于n o r 器件的更高级软件，这其中包括m s y s t e m 的t r u e f f s 驱动，该驱动被w i n dr i v e rs y s t e m 、m i c r o s o f t 、q n xs o f t w a r es y s t e m 、s y m b i a n 和i n t e l 等厂商所采用【旧l 。驱动还用于对d i s k o n c h i p 产品进行仿真和n a n d 闪存 的管理，包括纠错、坏块处理和损耗平衡等功能。 1 2 2f l a s hm e m o i w 产品发展趋势 由于n a n df l a s h 与n o rf l a s h 都有各自的缺点，这两年，各大公司都 争相推出了一些能够融合两者优点的新技术。s p a n s i o n 公司推出了o r n a n d 架 构，o r n a n d 是n o r 技术与n a n d 技术的结合体，它具有n o r 型闪存可执行 软件代码和高可靠性的优点，以及n a n d 型闪存大容量的优点。在基础架构上， o r n a n d 其实构建于第二代m i r r o r b i t 技术的基础之上，每个存储单元可以表达 2 b i t 数据，而关键的地方在于读写控制的改变，据称它可以将脉冲的写入速度提 基于o p b 总线的n a n df l a s h 挡制器设计j 验证 高到现有n a n d 型闪存的2 到4 倍，写入性能非常出众，再加上它还具有 m i r r o r b i t n o r 技术的所有优点，如高可靠性、高读取速度和低成本，使得o r n a n d 技术表现非常全面。s p a n s i o n 希望o i a n d 能首先以高性能作为卖点，从n a n d 型产品为主的厂商手中夺取新的市场份额。除了s p a n s i o n ，n o r 闪存领域的另一 大公司英特尔也在其n o r 产品线中加入n a n d ，产生了一种n o r n o r 堆栈结 构的存储芯片。三星作为最大的n a n d 闪存厂商，它在近期也提出的o n e n a n d 闪存技术，与s p a n s i o n 的o r n a n d 技术可谓是不谋而合，双方相互向对方的领 域拓展空间【1 1 】。o n e n a n d 将主要针对手机市场，它具有n o r 型闪存的高速数据 读取性能与n a n d 型闪存的大容量特性。但与s p a n s i o no r n a n d 不同的是，三 星o n e n a n d 在结构上基于它所擅长的n a n d 架构，芯片集成了一个6 6 m h z 频 率的同步逻辑接口和高速缓存读取功能，前者可提供高达1 0 8 m b p s 的接口带宽， 后者则可以实际增强闪存的读取性能。三星表示，o n e n a n d 的数据读取性能达 到现有n a n d 闪存的四倍之多，完全可满足手机市场的需要。写入速度方面， o n e n a n d 与现有n a n d 闪存相当，若不采用d r a m 缓存，o n e n a n d 芯片的写 入速度可达到1 0 m b p s ，5 0 0 万像素规格的数码相机若以之为存储介质，便可支持 连续不断高速连拍或视频录制功能【l2 1 。 1 3 课题来源及研究的目的与意义 本课题来源深圳华为技术有限公司“i p 网络固态存储设备 新产品开发课题， i p 网络固态存储设备可以满足客户日益复杂的业务环境和大容量数据存储需求， 有效消除系统性能瓶颈。i p 网络固态存储设备主要应用在对容量和性能均有较高 要求的业务领域，比如网站视频点播业务、大容量数据检索、在线交互业务等。 i p 网络固态存储设备采用n a n df l a s h 作为存储介质，n a n df l a s h 在大 容量数据存储速度、接口引脚数、容量和成本、耐用性方面有巨大的优势，n a n d f l a s h 器件能够复用指令、地址和数据总线，从而节省了引脚数量。实际上， n a n df l a s h 可认为是顺序读取的设备，它仅用8 位的i o 端口就可以存取按页 为单位的数据。n a n d 在读和擦写文件、特别是连续的大文件时，速度相当快， 但随机存取速度则比较慢，因为它不能按字节写。这8 位端口不仅承担着数据总 线的功能，还承担着地址及指令总线的功能，所以造成接口控制时序复杂。 n a n df l a s h 器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下一个比特位会发生 反转或报告反转。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， 这个小小的故障可能导致系统死机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决 了。当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测错误更正( e d c e c c ) 算 法。位反转的问题更多见于n a n df l a s h ，n a n df l a s h 供应商建议使用n a n d f l a s h 的同时，也采用e d c e c c 校验算法。 硕十学位论文 本文实现的n a n df l a s h 控制器放置在c p u 和n a n ff l a s h 器件之间， 实现了n a n df l a s h 的无粘接接口，可以大大简化c p u 对n a n df l a s h 的操 作时序，提高c p u 使用效率。e c c 功能可以保证存储数据的准确性，e c c 模块 和主控模块相对独立，在不需要e c c 功能的情况下，只需要不使能e c c 模块， 方便灵活。随着f p g a 技术的进步，在f p g a 上实现s o c 的成本也逐渐减低，本 文实现的n a n df l a s h 控制器还带有o p b 总线接口，可以和f p g a 内置的处理 器通过o p b 总线挂接在一起，实现对n a n df l a s h 器件的读写操作。 1 4 本文主要研究内容 本文是“基于o p b 总线的n a n df l a s h 控制器的设计与验证 项目研究工 作和技术工作的总结，也是作者承担完成项目开发任务的心得体会。全文结构安 排和主要研究内容如下： 第1 章绪论。通过分析f l a s hm e m o r y 产品的现状和发展趋势，分析n a n d f l a s h 本身存在的缺点和s o c 技术，阐述了开发基于o p b 总线的n a n df l a s h 控制器的意义。 第2 章n a n df l a s h 控制器设计的技术基础。主要分析了n a n df l a s h 组织结构、n a n df l a s h 指令操作、n a n df l a s ha c 特性参数，并着重介绍 了s o c 技术和o p b 总线。 第3 章n a n df l a s h 控制器设计与实现。介绍基于o p b 总线的n a n d f l a s h 控制器的功能要求和性能指标，论述了总线接口模块的总体设计和结构原 理，分析了控制模块的主控模块和e c c 模块两个子模块的设计。详细论述了时钟 模块的实现方法，给出了状态控制模块中页读取、页编程、块擦除、i d 读取、重 置、状态读取、查错等指令的状态机设计实现过程。根据e c c 算法实现原理，结 合总体，详细论述了e c c 校验码生成、e c c 查错与纠错的实现方法。 第4 章n a n df l a s h 控制器的验证。阐述了验证环境的组成和各个部分的 功能，重点分析了r m 的设计，详细论述了r m 的a c 特性参数检查和状态机跳 转检查的实现方法，在此基础上又论述了e c c 功能验证的方法，给出了指令操作 功能仿真的结果。 第5 章n a n df l a s h 控制器的应用。通过进行资源占用分析和静态时序分 析，给出了分析结果，并给出了控制器的应用环境；对基于o p b 总线的n a n d f l a s h 控制器在s o c 环境下进行了指令功能的调试，给出了调试结果。 最后，对本文研究工作进行总结与展望。 基于o p b 总线的n a n df l a s h 控制器设计i 验证 第2 章n a n df l a s h 控制器设计的技术基础 基于o p b 总线的n a n df l a s h 控制器从o p b 总线上接受指令，将通过o p b 总线发送的数据写入n a n df l a s h 或从n a n df l a s h 中将数据读出，下面从 n a n df l a s h 组织结构、n a n df l a s h 指令操作、n a n df l a s ha c 特性参数、 s o c 技术、o p b 总线等方面阐述控制器设计的技术基础。 2 1n a n df l a s h 组织结构 根据2 0 0 6 年1 2 月h y n i x ，i n t e l ，s o n y 等公司联合发布的开放n a n df l a s h 接口说明，将n a n df l a s h 的内存结构由粗到细依次规范为器件( d e 2 v i c e ) 、 目标( t a r g e t ) 、单元( u n i t ) 、分块( b l o c k ) 、分页( p a g e ) 以及扇区( s e c t o r ) 。器件即指n a n d f l a s h 本身，一个器件由一个或多个目标构成。而各个目标是否工作则由 c e ( c h i p e n a b l e ) 信号来控制，同一时刻只有一个目标处于工作状态。一个目标又可 以分成一个或多个逻辑单元。逻辑单元是独立地执行命令和报告状态的最小单位， 原则上n a n df l a s h 支持多逻辑单元操作。每个逻辑单元都包含至少一个分页 寄存器和二个存储阵列。分页寄存器用于暂存由外部读入n a n df l a s h 的数据 以及由n a n df l a s h 读出的数据。存储阵列由许多分块组成，一个分块是逻辑 单元中进行擦除操作的最小单位。一个分块又包含若干个分页，对于支持约束性连 续分页操作的器件来说，分页是最小的可寻址操作单位。下面以三星k 9 f lg 0 8 r o a 为例论述n a n df l a s h 的组织结构。k 9 f 1 g 0 8 r o a 管脚和管脚说明分别见图2 1 和表2 1 【13 1 。 v s s 图2 1k 9 f l g 0 8 x o a 管脚图 6 - r bl 硕 ：学位论文 表2 1k 9 f 1 g 0 8 x o a 管脚功能介绍表 三星k 9 f 1 g 0 8 r o a 的容量为1 0 5 6 m b i t ( 1 3 2 m b ) ，共1 0 2 4 个块( b l o c k ) ，6 5 5 3 6 页( p a g e ) ，每块6 4 页，每页是2 1 1 2 b y t e ，每页的后6 4 字节( 2 0 4 8 2 1 11 ) 是空闲区， 其中2 l o o 到2 1 1l 共1 2 个字节用于存储针对本页2 k 个字节计算的e c c 校验码。 三星k 9 f lg 0 8 r o a 内部主要由n a n d 存储阵列、高速缓存与寄存器组、逻辑控 制单元以及驱动单元构成。存储阵列外接有一个2 1 1 2 字节( 1 页大小) 的数据寄存 器与一个同样大小的高速缓存，用来在读取或写入操作时缓存、交换数据【l 引。地 址与指令也都有都有各自的寄存器。逻辑控制单元控制整个芯片的工作，并为对 存储阵列的操作产生高电压，k 9 f 1 g 0 8 r o a 内部结构见图2 2 。 2 2n a n df l a s h 指令操作 n a n df l a s h 的指令很多，所设计的n a n df l a s h 控制器的并没有完全涉 及，下面就控制器所用到的一些指令做简要的介绍。 基于o p b 总线的n a n df l a s 挖制器设汁j 验证 图2 2k 9 f l g 0 8 r o a 内部结构图 2 2 1 页编程指令 页编程是把一个p a g e 内的存储空间的内容全部写为想要输入的数据，其操作 指令流程和时序分别见图2 3 和图2 4 。编程的数据应在第一个命令后按顺序输入， 编程时n a n df l a s h 自动由选中页的低位向高位并按数据输入时的顺序由前向 后写入数据【13 1 。 夏) 卜n 二 由 图2 3 页编程操作指令流程图 硕十学位论文 c比几厂几 川n r讯叫卜*_一 1 厂弋几几几hr 图2 4 页编程操作时序图 2 2 2 页读取指令 页读取是把一个p a g e 内的存储空间的内容全部读出，其操作指令流程和时序 分别见图2 5 和图2 6 ，图2 5 中给出的流程图包含了e c c 校验功能1 3 1 。 图2 5 页读取操作指令流程图 由 基于0 p b 总线的n a n df l a s h 拧制； ；设计与验证 t c l f 2 2 3 块擦除指令 图2 6 页读取操作时序图 块擦除是把一个b l o c k 的存储空间的内容全部写为1 ，其操作指令流程和时序 分别见图2 7 和图2 8 【13 1 。 y 参 x 图2 7 块擦除操作指令流程图 1 0 硕j j 学位论文 乱e 几几厂 n 厂 c日厂厂一。，。、l，。j 巳灯、几门j 厂 j 一 l t w b ，一t b c f s 忆e 、 j j _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ u、 _ _ 。_ _ 。 f 始指令黼令搛际猬7 7 状态读取状态输出 少互懋火黔固矿伍 b - l 图2 8 块擦除操作时序图 2 3n a n df l a s ha c 特性参数 为了能够保证能够正确采用信号，n a n df l a s h 器件对c e l 、w e l 、c l e 、 a l e 、i 0 信号的变化关系有严格的要求，这样能够保证控制信号有充足的建立时 间能被正确采样，还能确保有足够的保持时间来保证信号被正确的输出。 t c l s 是c l e 的建立时间，它有两种形式，分别见图2 9 和图2 12 ，它的典型 值为2 5 n s 。t c l h 为c l e 的保持时间，它有两种形式，分别见图2 9 和图2 1 0 ，它 的典型值为1 0 n s 。t c s 为c el 信号的建立时间，见图2 9 ，它的典型值为3 5 n s 。 t c h 为c el 信号的保持时间，见图2 9 ，它典型值为1 0 n s 。t a l s 为a l e 的建立 时间，它有两种形式，分别见图2 9 和图2 1 2 ，它的典型值为2 5 n s 。t a l h 为a l e 的保持时间，它有两种形式，分别见图2 9 和图2 1 2 ，它的典型值为1 0 n s 。t w c 为写周期时间，它包括t w p 和t w c ，见图2 1 0 ，其中t w p 为写信号的低电平时 间，它的典型值为3 0 ，t w h 为写信号的高电平时间，它的典型值为l5 n s 。t d s 为 数据信号的建立时间，见图2 1 1 ，它的典型值为2 0 n s 。t d h 为数据信号的保持时 间，见图2 1 1 ，它的值为1 0 n s 。 t a r 为从地址锁存信号无效到读使能信号有效的最小时间延迟，见图2 6 ，它 的典型值为1 0 n s 。t c l r 为c l e 信号使能到r e l 信号使能的最小时间延迟，即 c l e 的负跳沿到r el 的负跳沿的时延，见图2 6 ，它的典型值为1 0 n s 【l 川。t r c 为两个r el 下降沿的最小时间间隔，包括t r p 和t r h 见图2 6 ，t r p 的典型值为 3 5 n s ，t r c 的典型值为1 5 n s 。 基于0 p b 总线的n a n df l a s h 挡制器设计j 验证 图2 9 命令字锁存a c 特性参数指示图 图2 1 0 数据锁存a c 特性参数指示图 图2 1 1 状态读取a c 特性参数指示图 1 2 硕 学位论文 c l e c e y 3 j l b 卜 、幡一t w r _ l 寸葛寸韫m _ t a i ht a l h j 仙。计讹?伊一 1r 喇s - i 7 l u n 瑚 硒 t d h 偿：1伫 俐争 一仨 h 、ij 、曲h l ，：i 蚀h ” ：1_ 五p 2，1 2 4o p b 总线技术 图2 1 2 地址锁存a c 特性参数指示图 随着深亚微米工艺制造技术的发展，集成电路芯片的规模越来越大，目前， 在单一i c 芯片中已经允许包含数亿个晶体管。与此同时，i c 的设计方法也从基于 时序驱动的方式，发展到了基于i p 复用的方式，这种基于i p 复用的设计方法已经 在s o c 设计中得到了广泛应用。基于i p 复用的设计方法的关键是建立片上总线 ( o c b ，o n c h i pb u s ) ，片上总线除了必须具有正确、高效和灵活的特点外，还必须 具有可复用性。这样，就可以实现i p 芯核的可移植性和i p 设计的可复用性，就可 以充分地利用公共外设核处理器，就可以提高从公共设计平台创建产品的定制化 能力。因此，实现o c b 的标准化是十分必要的。近年来，许多公司相继制定了一 些o c b 标准，其中影响较大的有c o r e c o n n e c t 总线、a m b a ( a d v a n c e d m i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 总线、o c p ( o p e nc o r ep r o t o c 0 1 ) 总线和w i s h b o n e 总线。 c o r e c o n n e c t 总线规范是i b m 公司设计的一种s o c 总线协议，它能够使处理器、 内存控制器和外设在基于标准产品平台设计中的集成和复用更加灵活，从而提高 整个系统性能。c o r e c o n n e c t 总线采用了总线分段的方式，共提供了三种基本类型 总线：处理器局部总线p l b ( p r o c e s s o r l o c a lb u s ) 、片内外设总线o p b ( o n c h i p p e r i p h e r a lb u s ) 和器件控制寄存器总线d c r ( d e v i c ec o n t r o lr e g i s t e r ) 。此外， c o r e c o n n e c t 还提供连接高性能总线和低性能总线的o p b 桥。c o r e c o n n e c t 总线结构 见图2 1 3 。c o r e c o n n e c t 总线中的p l b 总线是一种高带宽、低延迟、高性能的处理 器内部总线。高速的c p u 核、高速存储器控制器、仲裁器、高速的d m a 控制器等 高性能、宽带宽的设备都连接在p l b 上。c o r e c o n n e c t 总线中的o p b 总线用于连接 基于0 p b 总线的n a n df l a s i i 控制器设计与验证 具有不同的总线宽度及时序要求的外设和内存，以使这些外设和内存能够尽量减 少对p l b 性能的影响。通常，一些低性能的设备都连接在o p b 总线上。在p l b 和 o p b 之间有一个o p b 桥，用来实现p l b 主设备与o p b 从设备之间的数据传输。 c o r e c o n n e c t 总线中的d c r 总线主要用来配置p l b 和o p b 主从设备中的状态寄存 器和控制寄存器，该总线可以使p l b 从低性能状态中减小负荷，更有效的控制读 写传输。d c r 总线取消了内存地址映射配置寄存器，因此，可以减少读取操作， 增加处理器内部总线的带宽。c o r e c o n n e c t 总线是一种完整的、通用的解决方案， 它被认为是一种很好的结构性总线，主要应用于高性能嵌入式系统的设计【1 4 以7 l 。 2 5s o c 技术 图2 1 3c o r e c o n n e c t 总线结构图 b u s s o c 的概念是在2 0 世纪9 0 年代提出的。随着时间的不断推移和计算机技术的 不断完善，电子设计的发展经历了三个阶段：2 0 世纪7 0 年代的计算机辅助设计 ( c a d ) ，利用系统的复制功能，提高了版图设计效率；8 0 年代出现计算机辅助工 程( c a e ) ，以门阵列、标准单元布局布线为主要内容；9 0 年代出现的电子设计自 动化( e d a ) ，把设计水平从原理图输入提高到行为描述，进一步缩短了设计周期， 提高了设计效率。其中用分立元件和集成电路所设计的电子系统称板上系统，而 用s o c 实现的电子系统称片上系统，特别是标准单元库包括i p 核的发展，从基本 单元电路，到功能模块、子系统、系统，充分利用已有的设计积累，实现设计重 用，提高了设计的起点。 电子系统追求的目标之一就是最大限度地简化电路设计，达到整体产品系统 的可靠性、精度、稳定等品质指标。随着集成电路工艺技术的飞速发展，在其制 硕十学位论文 造工艺、设计上使芯片向着高集成化、微细化方向发展。 s o c 技术是从系统功能和性能出发，结合芯片结构，融合软硬件来设计和制 作微电子芯片，在更高层次上发展芯片技术，过去用多块i c 构成系统，现在变成 块s o c 实现一个系统的功能。由于整个系统的部件数