1 引 言

隨著消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品包括PDA，MP3、智能手機(jī)等手持設(shè)備的市場(chǎng)需求逐步擴(kuò)大，產(chǎn)品間的競(jìng)爭(zhēng)也愈發(fā)激烈，降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本，提升產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力成為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)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(chǔ)器，被應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)。其中NAND FLASH主要優(yōu)點(diǎn)在于存儲(chǔ)密度高、容量大，有更占優(yōu)勢(shì)的存儲(chǔ)性?xún)r(jià)比。但是NANDFLASH由于其獨(dú)特的頁(yè)式讀寫(xiě)方式，并不適合程序的直接執(zhí)行。因此，從NAND FLASH啟動(dòng)需要片上存儲(chǔ)器作為代碼執(zhí)行的中轉(zhuǎn)區(qū)。本文所討論的一種系統(tǒng)啟動(dòng)方式，是在缺少片上存儲(chǔ)器支持的情況下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)直接從NAND FLASH啟動(dòng)。論文中充分考慮了如何實(shí)現(xiàn)軟、硬件之間的協(xié)同工作，以完成SOC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 NAND FLASH控制器的結(jié)構(gòu)

本文所討論的NAND FLASH控制器是針對(duì)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(xiàn)上的一個(gè)從設(shè)備集成于AHB上。主要模塊包括總線(xiàn)接口模塊、FIFO緩沖模塊、ECC編碼模塊以及邏輯控制模塊。

總線(xiàn)接口模塊主要的功能是轉(zhuǎn)換AMBA總線(xiàn)上的控制和數(shù)據(jù)信號(hào)：將總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)送入FIFO或?qū)?shù)據(jù)從FIFO讀出到總線(xiàn)上，將總線(xiàn)上的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)序后送到控制模塊。

NAND控制器包含一個(gè)寬度為32 b，深度為4的緩沖FIFO，用于解決高速總線(xiàn)與低速設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸速度的匹配問(wèn)題。為提高總線(xiàn)的傳輸效率，以及控制器設(shè)計(jì)的便利性，NAND FLASH在總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)傳輸采用DMA的方式來(lái)完成。譬如在讀取FLASH一頁(yè)數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)持續(xù)寫(xiě)入控制器FIFO，F(xiàn)IFO滿(mǎn)時(shí)發(fā)出DMA傳輸?shù)恼?qǐng)求，同時(shí)暫停FLASH的數(shù)據(jù)讀取，控制信號(hào)nRE拉高，直至DMA響應(yīng)請(qǐng)求即FIFO不滿(mǎn)時(shí)，F(xiàn)LASH的數(shù)據(jù)傳輸重新開(kāi)始。當(dāng)選擇應(yīng)用的FLASH位寬為8，頁(yè)大小為(512+16)B時(shí)，控制器需要發(fā)出(32+1)次4拍字寬度的DMA傳輸請(qǐng)求來(lái)完成數(shù)據(jù)和校驗(yàn)信息的讀取。

控制模塊的上作主要是將總線(xiàn)接口轉(zhuǎn)換的控制信號(hào)，按照NAND FLASH的接口協(xié)議．將片選、地址、命令、讀寫(xiě)使能按照所配置的時(shí)序要求，發(fā)送到NAND FLASH中，并且控制數(shù)據(jù)的傳輸個(gè)數(shù)，以及DMA請(qǐng)求、數(shù)據(jù)傳輸完成中斷、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤中斷等系統(tǒng)信號(hào)。

NAND FLASH可靠性相對(duì)較差，存儲(chǔ)器芯片中有壞塊的存在，會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)數(shù)據(jù)出錯(cuò)。ECC校驗(yàn)?zāi)K針對(duì)NAND FLASH的可靠性問(wèn)題，提供了一種查錯(cuò)、糾錯(cuò)的機(jī)制。ECC校驗(yàn)碼在數(shù)據(jù)讀人時(shí)，由硬件計(jì)算完成后寫(xiě)入到FLASH的校驗(yàn)位中，當(dāng)此頁(yè)數(shù)據(jù)讀出時(shí)，校驗(yàn)碼再次生成與存儲(chǔ)器校驗(yàn)位中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若相同則沒(méi)有損壞位，若不同，則給出出錯(cuò)中斷，軟件通過(guò)檢查比較結(jié)果，判斷出錯(cuò)位的位置進(jìn)行糾錯(cuò)處理。糾錯(cuò)功能僅針對(duì)單bit位的出錯(cuò)，當(dāng)一個(gè)以上位同時(shí)在一頁(yè)中出現(xiàn)時(shí)，ECC校驗(yàn)不能給出出錯(cuò)位正確的位置。

3 NAND FLASH工作的軟件流程

按照上節(jié)對(duì)控制器結(jié)構(gòu)以及傳輸機(jī)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(qū)動(dòng)的主要工作是配置DMA模塊以及FLASH控制模塊，當(dāng)傳輸完成，檢測(cè)到中斷后，軟件查詢(xún)狀態(tài)寄存器，其中的狀態(tài)位來(lái)自FLASH。當(dāng)一次操作完成后，控制器自動(dòng)向FLASH發(fā)出查詢(xún)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(dòng)的傳統(tǒng)模式

目前支持從NAND FLASH啟動(dòng)的SoC芯片中，一般都內(nèi)嵌有片卜存儲(chǔ)器。各個(gè)處理器廠商對(duì)這塊片上存儲(chǔ)器定義的容量大小有所不同，但是啟動(dòng)模式都是比較一致的。NAND FLASH按頁(yè)順序讀取的方式，意味著對(duì)當(dāng)前的存儲(chǔ)地址訪問(wèn)后就無(wú)法馬上再次訪問(wèn)，需在當(dāng)前頁(yè)訪問(wèn)完成后，重新對(duì)此頁(yè)訪問(wèn)時(shí)，才可對(duì)先前的地址單元再次訪問(wèn)，這就導(dǎo)致了一些程序語(yǔ)句無(wú)法執(zhí)行，譬如跳轉(zhuǎn)、循環(huán)等語(yǔ)句的使用。因此NAND FLASH僅作為啟動(dòng)代碼的存儲(chǔ)區(qū)，而真正執(zhí)行的存儲(chǔ)器區(qū)域是內(nèi)嵌的片上存儲(chǔ)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(dòng)模式，程序搬運(yùn)以及執(zhí)行的過(guò)程如下：

系統(tǒng)上電前，外部硬線(xiàn)NAND BOOT開(kāi)關(guān)選擇從NAND FLASH啟動(dòng)。芯片設(shè)計(jì)時(shí)，默認(rèn)DMA占有系統(tǒng)總線(xiàn)，DMA按照配置寄存器的默認(rèn)值工作，其源地址指向NAND FLASH，目標(biāo)地址指向片上SRAM，NANDFLASH控制器在NAND BOOT選中的情況下，默認(rèn)向NAND FLASH的首頁(yè)發(fā)出讀命令。即上電后，DMA控制器以及NAND FLASH控制器默認(rèn)的把FLASH存儲(chǔ)器中的第一頁(yè)搬到了片上SRAM中。一直到DMA的工作完成前，ARM核無(wú)法占用總線(xiàn)。此時(shí)零地址映射在片上SRAM，DMA完成搬運(yùn)后，ARM開(kāi)始執(zhí)行程序。此段代碼完成的工作包括對(duì)SDRAM控制器的初始化，從NAND FLASH搬運(yùn)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(kāi)始真正啟動(dòng)系統(tǒng)。

5 NAND FLASH系統(tǒng)啟動(dòng)的新方法

一般情況下，片上存儲(chǔ)器在作為啟動(dòng)代碼轉(zhuǎn)移階石的同時(shí)，往往在啟動(dòng)后也有其特殊的作用?？梢宰鳛樘厥獾某绦騾^(qū)，譬如在進(jìn)行MP3解碼過(guò)程中，核心解碼函數(shù)作為頻繁調(diào)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(kāi)發(fā)過(guò)程中，在整體架構(gòu)以及模塊功能的變化之后，這塊內(nèi)嵌的SRAM失去了原來(lái)的作用，而僅作為NAND FLASH啟動(dòng)時(shí)的代碼跳板，對(duì)于整個(gè)芯片而言，付出的代價(jià)比較大。于是提出了在沒(méi)有片上存儲(chǔ)器的架構(gòu)下，從NAND FLASH啟動(dòng)的一種新模式。

在上述一般模式啟動(dòng)過(guò)程中，片上SRAM所起到的作用，就是執(zhí)行NAND FLASH中第一頁(yè)的代碼，將真正的啟動(dòng)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(dāng)?shù)母淖儭?(1) 首先需要改變的是地址映射的機(jī)制，系統(tǒng)上電后，ARM即從零地址開(kāi)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(guò)程由AMBA總線(xiàn)模塊完成。在外部硬線(xiàn)NAND BOOT拉高的條件下，AMBA從設(shè)備地址譯碼模塊在啟動(dòng)過(guò)程中，將零地址的設(shè)備選擇權(quán)給到緩沖FIFO。在第一頁(yè)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(dòng)過(guò)程中，對(duì)數(shù)據(jù)的讀取方式。鑒于NAND FLASH大批量數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的特性，往往采用DMA方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。啟動(dòng)過(guò)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(méi)備READY信號(hào)拉低，等待NAND中的數(shù)據(jù)讀出。并且在此讀取過(guò)程中，DMA的請(qǐng)求被屏蔽。

(3) NAND FLASH型號(hào)類(lèi)型眾多，從每頁(yè)容量大小、數(shù)據(jù)寬度、地址級(jí)數(shù)以及各型號(hào)芯片不同的時(shí)序參數(shù)，決定了一個(gè)控制器接口的兼容性要求相當(dāng)?shù)母?。為了兼容從不同的NAND FLASH啟動(dòng)，設(shè)置了4根硬線(xiàn)作為選擇。NAND BOOT選擇是否從NAND FLASH啟動(dòng)；PAGESIZE選擇每頁(yè)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(jí)數(shù)，支持3級(jí)、4級(jí)、5級(jí)地址。時(shí)序參數(shù)的配置值可以采用默認(rèn)的寬松值，在讀取首頁(yè)信息之后，將配置值根據(jù)當(dāng)前的時(shí)鐘頻率以及芯片類(lèi)型，選擇舍適的時(shí)序值以達(dá)到最佳的性能。 (4) 存儲(chǔ)器首頁(yè)的代碼是在緩沖FIFO中執(zhí)行的，F(xiàn)IFO的入口地址是一個(gè)高24位的選通地址，因此當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，零地址開(kāi)始增加，對(duì)FIFO中瀆出的指令而言，低8位地址的變化是無(wú)關(guān)的，F(xiàn)IFO始終被選通。指令的輸出是默認(rèn)的順序輸出。這就要求首頁(yè)的代碼中不可以出現(xiàn)循環(huán)、跳轉(zhuǎn)等語(yǔ)句，并且要求在128條指令內(nèi)完成需要的操作。

6 啟動(dòng)代碼和流程的分析

上述的匯編程序即是存放在NAND FLASH首頁(yè)的啟動(dòng)代碼，啟動(dòng)的流程如下：

(1) 配置DMA控制器的4個(gè)寄存器，通道使能后，等待FLASH發(fā)出的搬運(yùn)請(qǐng)求；

(2) 配置NAND FLASH控制器的3個(gè)寄存器，選擇適合的地址、時(shí)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(yùn)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(yè)NANDFLASH中的剩余空間；

(6) 執(zhí)行在頁(yè)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(dòng)NANDFLASH的數(shù)據(jù)傳輸，將程序搬往SDRAM的0x30001000處。其次執(zhí)行一個(gè)循環(huán)語(yǔ)句，等待第一頁(yè)的程序搬完，之后將PC指針指向0x30001000處，啟動(dòng)程序從0x30001000處正式開(kāi)始執(zhí)行。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種NAND FLASH自啟動(dòng)的新方案，通過(guò)對(duì)硬件電路以及軟件代碼作合適的調(diào)整，從芯片中去除了內(nèi)部SRAM，降低了SoC芯片的開(kāi)發(fā)成本。本方案已經(jīng)通過(guò)一款命名為GarfieldV的SoC芯片的測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期的效果。

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