VxWorks設(shè)計(jì)的NAND FLASH驅(qū)動(dòng)程序

嵌入式計(jì)算機(jī)作為計(jì)算機(jī)中的一個(gè)類(lèi)別，對(duì)執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性都有較強(qiáng)的要求，這也決定了嵌入式系統(tǒng)不僅要有實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的操作系統(tǒng)，同時(shí)也需要一種安全、快速的存儲(chǔ)設(shè)備。同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)涉及到海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，這就要求存儲(chǔ)設(shè)備必須具有可靠性高，功耗低，容量大，掉電數(shù)據(jù)不丟失等特點(diǎn)，而NADN FLASH芯片正好具有這些優(yōu)點(diǎn)。

　　VxWorks是嵌入式領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的最有特色的高性能實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之一。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性，被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通信、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。

　　目前，在VxWorks實(shí)現(xiàn)上，涉及文件系統(tǒng)的文章不少，但一般都是針對(duì)容量較小，操作相對(duì)簡(jiǎn)單的NORFLASH實(shí)現(xiàn)的。本文討論了如何在以AMCC公司的Power PC芯片PPC440epx為核心的嵌入式平臺(tái)上，利用三星公司的大容量NAND FLASH實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)的具體辦法。

　　1 三星NAND FLASH芯片K9F2G08QOM

　　K9F2G08QOM芯片的容量為256 M×8 b="2" Gb的數(shù)據(jù)區(qū)，再加上64 Mb的備用區(qū)。一塊這種芯片被分為2 048個(gè)塊，每個(gè)塊又分為64頁(yè)，每頁(yè)由2 KB的數(shù)據(jù)區(qū)加上64 B的備用區(qū)組成。如圖1所示，列地址為12 b(A11～A0)。當(dāng)A12為0時(shí)，A10～A0確定對(duì)每頁(yè)中2 KP；數(shù)據(jù)的訪問(wèn)；當(dāng)A12為1時(shí)，訪問(wèn)的是64 B的備用區(qū)。由于NANDFLASH芯片在出廠時(shí)就可能出現(xiàn)壞塊(塊中的某個(gè)或多個(gè)bit不能有效的進(jìn)行讀寫(xiě))，為了將其標(biāo)注出來(lái)，三星公司保證每個(gè)壞塊的第一頁(yè)和第二頁(yè)備用區(qū)第一個(gè)byte的數(shù)據(jù)沒(méi)有被初始化為0xFF。設(shè)計(jì)人員要確保在對(duì)該芯片進(jìn)行擦除之前，先將這個(gè)信息保留起來(lái)(建一個(gè)壞塊表)。行地址為17 b(A28～A12)。它確定了對(duì)2 048塊×64頁(yè)=128 K個(gè)頁(yè)中的某一頁(yè)進(jìn)行訪問(wèn)。為了簡(jiǎn)化NAND FLASH芯片的管腳，其地址和數(shù)據(jù)信息共享8個(gè)I／O管腳，因此，其29 B的地址信息被設(shè)計(jì)為5個(gè)周期進(jìn)行傳輸。具體操作如表1所示。

　　注：起始地址是列地址；L表示必須置為低電平

　　對(duì)NAND FLASH的操作流程比較簡(jiǎn)單，即在第一個(gè)周期里送操作相關(guān)的命令字，然后送地址，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)，最后送確認(rèn)字。需要說(shuō)明的是，由于地址、命令和數(shù)據(jù)都共用8個(gè)I／O管腳來(lái)進(jìn)行傳輸，因此在硬件上必須要有專(zhuān)用的管腳來(lái)區(qū)分傳輸類(lèi)型(在傳輸命令的時(shí)候，命令鎖存使能信號(hào)CLE有效；在傳輸?shù)刂返臅r(shí)候，地址鎖存使能信號(hào)ALE有效)。具體的命令字、時(shí)序和操作流程在K9F2G08Q0M的數(shù)據(jù)手冊(cè)上有較詳細(xì)的描述，在此不一一詳述。

　　2 PPC440epx的NAND FLASH接口

　　AMCC公司的PPC440epx芯片是一款性能指標(biāo)較高的嵌入式CPU芯片，其主頻可以達(dá)到667 MHz，擁有DDR2接口，可支持千兆以太網(wǎng)，USB 2．0接口，支持浮點(diǎn)運(yùn)算，同時(shí)還支持NAND FLASH芯片。

　　PPC440epx使用一個(gè)NAND FLASH Controller作為外部NAND FLASH與其外部總線通信的接口電路，該控制器最多可以支持4個(gè)NAND FLASH芯片，每個(gè)芯片的容量可以為4～256 MB，每頁(yè)的大小可以為512 B+16 B或者2 KB+64 B。NDFC(NANDFLASH Controller)的存在使得對(duì)NAND FLASH的操作變的非常簡(jiǎn)單。根據(jù)前面對(duì)K9F2G08Q0M的介紹可知，對(duì)NAND FLASH的操作需要在硬件上產(chǎn)生ALE，CLE信號(hào)來(lái)區(qū)分傳輸類(lèi)型。NDFC給程序設(shè)計(jì)人員提供兩種實(shí)現(xiàn)時(shí)序的方法：硬件實(shí)現(xiàn)，軟件實(shí)現(xiàn)。如果是前者， NDFC提供了幾個(gè)寄存器：命令寄存器、地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、配置寄存器和狀態(tài)寄存器。通過(guò)對(duì)這幾個(gè)寄存器執(zhí)行相應(yīng)的讀／寫(xiě)操作就可以產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序。例如，如果需要對(duì)NAND FLASH寫(xiě)命令字80H，則只需將80H寫(xiě)人命令寄存器即可。NDFC自動(dòng)將80H送到I／O7～I(xiàn)／O0上，同時(shí)置CLE為有效狀態(tài)。而軟件實(shí)現(xiàn)方法是根據(jù)K9F2G08Q0M的時(shí)序要求，通過(guò)對(duì)硬件控制寄存器中相應(yīng)的bit寫(xiě)1或者0，使得對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)為高電平或者低電平。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)自己的情況，選擇實(shí)現(xiàn)方法。這里推薦采用硬件實(shí)現(xiàn)的方法。不過(guò)，在有問(wèn)題時(shí)，可采用軟件實(shí)現(xiàn)的方法來(lái)進(jìn)行調(diào)試。

　　3 TrueFFS簡(jiǎn)介

　　TureFFS(Ture Flash File System)是M-Systems公司為VxWorks操作系統(tǒng)定制的實(shí)現(xiàn)FLASH塊設(shè)備的接口。通過(guò)使用TFFS，應(yīng)用程序?qū)LASH的讀寫(xiě)就像對(duì)擁有MS-DOS文件系統(tǒng)的磁盤(pán)設(shè)備操作一樣。對(duì)于上層設(shè)計(jì)人員，TFFS屏蔽了底層多種多樣FLASH設(shè)備的具體細(xì)節(jié)。同時(shí)，由于FLASH存儲(chǔ)芯片自身的一些特性(如擦除、編程次數(shù)有限并且操作時(shí)間較長(zhǎng)；容易進(jìn)入過(guò)度編程狀態(tài)等)，TFFS采用虛擬塊、損耗均衡、碎片回收、錯(cuò)誤恢復(fù)等機(jī)制來(lái)提高 FLASH的使用壽命，確保數(shù)據(jù)完整，優(yōu)化性能。