基于Flash的大容量高速数据记录仪设计-设计应用

精品文档-下载后可编辑基于Flash的大容量高速数据记录仪设计-设计应用现今嵌入式存储产品已渗透进人们生活工作中的方方面面，从ATM机到手持通讯设备。社会对嵌入式产品的性能也有越来越高的要求：大容量，高速度，断电保护，体积限制等等。当前数据记录仪的容量和速度普遍偏小。本文旨在研究一种的数据存储容量达512MB高速数据记录仪,它可以用于多路信号采集系统中。重点研究在嵌入式linux系统平台的架构下基于NandFlash的存储技术。

引言

Flash是一种不挥发性内存，在无电流供应的条件下也能够长久地保持数据，相对于传统的存储介质具有无可比拟的优势。目前主要的闪存分为两类：Intel首先开发的NORFlash和东芝发布的NandFlash。

NorFlash的特点是芯片内执行。应用程序可以直接在闪存内运行。不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高,但是写入和擦除速度很低。Nandflash存储单元的读写是以页和块为单位来进行，这种结构的优点在于容量可以做得很大，NAND闪存的成本较低，有利于大规模普及。主要功能是存储资料。故而现在码相机闪存卡和MP3播放器中存储设备几乎全部是NandFlash。现在大部分的嵌入式设备厂商出于成本的考虑都选择了NandFlash作为存储设备。这样增加了软件设计的复杂度，降低了系统效率而且也限制了Flash容量。

结合两类闪存的优缺点，本文中我们选择NandFlash作为数据记录仪上午数据存储器，norflash作为数据记录仪的程序存储器。

图1：系统整体结构图图

图2：系统应用软件流程

数据记录仪设计整体包括两块，其部分是数据采集模块一部分是数据存储模块，用TLC2578芯片来实现数据采集AD转换，系统的调度是ARM处理器，在这里使用S3c2440，ARM主要负责处理和控制。存储器负责程序和数据的存储，其中NandFLASH存储数据文件，NorFlash负责存储bootloader,操作系统内核和文件系统，SDRAM存储系统运行时的程序和数据，ARM通过GPIO连接相关继电器、触发设备、输出电压控制设备、以及特定设备采样A／D并进行驱动。

S3C2440是三星公司的ARM920T的ARM控制器：支持32b的高速AMBA总线接口；带有MMU，可以进行Linux操作系统的移植；支持大页NAND闪存控制器。NandFlash芯片选用K9F4G08U0M，这是Samsung生产的512MB的NANDFlash存储器。内部存储结构为(2K+64)字节×32页×4096块,NANDFlash接口信号比较少，数据线宽度只有8bit，CLE和ALE两个引脚信号用来区分总线上的数据类型，没有地址总线。NorFlash采用16MX16位的E28F128J3A，NORFlash接口与系统总路线完全匹配，16个数据输入输出引脚，可以连接在系统总线上。NORFlash有三个芯片片选引脚信号，选用作为片选信号，与处理器引脚相连。BYTE接高电平，表示Flash在16位数据传输模式下。

系统软件组成

本系统的软件部分包括应用程序和系统程序，应用程序主要是AD采集和读写Flash，见图2，而系统程序就是应用程序工作的软件平台。它由以下部分组成：系统引导程序、嵌入式操作系统linux内核、文件系统。

系统引导程序负责将操作系统内核固化到Flash中和系统初始化工作，然后将系统控制权交给操作系统。在本文里我们使用uboot作为系统引导程序。嵌入式操作系统内核是嵌入式系统加电运行后的管理平台，负责实时性任务和多任务的管理,这里选择嵌入式linux内核。

文件系统是对一个存储设备上的数据和元数据进行组织的机制。Linux文件系统接口实现为分层的体系结构，从而将用户接口层、文件系统实现和操作存储设备的驱动程序分隔开。JFFS2是专门针对嵌入式系统中的Flash存储器的特性而设计的一种日志文件系统。YAFFS2支持大页面的NAND设备，并且对大页面的NAND设备做了优化。

软件平台固化在NorFlash中。根据软件平台的内容对NorFlash的地址空间进行分区，这里分三个区，分别存放bootloader、Linux内核和文件系统。

NandFlash驱动设计

NandFlash驱动程序框架

按照linux下驱动编写规范编写nandflash驱动，其实主要工作就是实现下面这个结构体中的函数。

s3c2440_nand_drive这个结构体用于向内核注册NandFlash设备，它会被platform_driver_register函数调用到。其中s3c2440_nand_probe是重要的，它完成对nand设备的探测。

Nand_scan是在初始化nand的时候对nand进行的一步非常好重要的操作，在nand_scan中会对我们所写的关于特定芯片的读写函数重载到nand_chip结构中去，并会将mtd_info结构体中的函数用nand的函数来重载，实现了mtd到底层驱动的联系。并且在nand_scan函数中会通过读取nand芯片的设备号和厂家号自动在芯片列表中寻找相应的型号和参数，并将其注册进去。

NandFlash读页操作函数

NandFlash读数据操作以页为单位,读数据首先写入读数据命令00H（如图3）,然后输入要读取页的地址,接着从数据寄存器中读取数据,进行ECC校验。

NandFlash写操作

写操作其实就是对页进行编程命令。见图4，首先写入80h开始编程模式，接下来写入地址和数据;写入10h表示编程结束。程序如下：

图3：读NandFlash流程

图4：写NandFlash流程

NANDFlash块擦除

本论文所用到的NandFlash的块大小是32X(2k+64)Byte,整块擦除。命令代码流程：首先写入60h进入擦写模式，然后输入块地址，接下来写入D0h,表示擦写结束。

测试结果

在测试NandFlash的读写速度时，我们通过TFTP将数据到RAM中，NandFlash进行读、编程、擦写测试。这样可以比较真实的测试NandFlash的读写速度，测试结果表明从NandFlash读4MBbytes的数据所用的时间是3886ms,向NandFlash写4Mbytes数据所用的时间是14026ms,擦除NandFlash中的4MByte需要的时间是6毫秒。这个速度还是比较理想的，完成对32路AD采集过来数据的实时存储是足够的。而且512MByte的数据存储空间对于数据记录仪而言是一个非常大的容量。

结论

测试结果表明数据记录仪存储速度是比较理想的，完成对AD采集过来数据的实时存储是足够的。而且512MByte的数据存储空间对于数据记录仪而言是一个非常大的容量。

参考文献:

[1].TLC2578datasheet/datasheet/TLC2578+_1095381.