controller_4G08的方案设计 实现了FPGA对Flash的控制

2011-05-03 10:54:59来源: 互联网
    本文设计了一个Flash控制器controller_4G08,它建立了自己的指令集,可以方便地实现FPGA对Flash的控制和读写操作。FPGA主状态机可以在系统时钟频率下对controller_4G08发送指令,然后等待controller_4G08返回的中断,中断返回即表示操作完成,无需关心Flash要求的操作时序。采用这个控制器将大大简化FPGA主状态机的状态数量,方便设计和调试,同时代码具有很强的可移植性。
1 controller_4G08的设计方案
    理论上讲FPGA可以直接对Flash操作,但这样会使主状态机状态很多,程序繁琐,当需要大批量数据反复读写时很不方便。本文设计了一个控制器controller_4G08,用这个控制器完成数据指令读写的时序操作。
    用controller_4G08管理Flash的系统框图如图1所示。FPGA部分有2个模块:主状态机和controller_4G08,它们之间的端口连接包括4 bit指令端口cmd_code_4G08、8 bit数据输入输出端口data_in_4G08与 data_out_4G08、中断信号int_ctl_4G08;FPGA对K9F4G08芯片接口包括8 bit双向数据端口data_4G08、忙标志rb、读使能we、写使能re等端口。FPGA主状态机若想对Flash进行操作,只需要通过cmd_code_4G08向controller_4G08发指令,按照系统时钟通过data_in_4G08与 data_out_4G08收发数据,然后controller_4G08会对K9F4G08执行相应的操作,指令执行完之后会通过int_ctl_4G08给主状态机一个中断信号,告诉主状态机执行完毕。FPGA主状态机不必关注Flash指令操作的时序问题,从而使设计简化。

2 controller_4G08的指令集
    K9F4G08具有自己的指令集,以读操作为例,其操作过程是:首先发送命令00h,再发5个周期地址,最后发送命令30h。Flash开始读相应的页,此时rb信号为低(表示Flash处于busy状态),等到rb信号为高,再按照时序改变读使能信号,便可将1个页的数据依次读出[1]。
    controller_4G08根据K9F4G08的指令集建立了自己的指令集,新增了全擦、部分擦指令,并且在读写指令前加入了坏块匹配功能,如表1所示。

2.1 匹配表
    Flash出厂后可能存在坏块,使用中也有可能会再出现新的坏块。制造商保证每个芯片中的坏块不多于80个,同时保证第0个块肯定是好的,且保证擦写1 000次不坏[1]。当进行连续地址的数据读写时有可能遇到坏块,坏块无法进行操作,会导致数据的丢失。因此必须建立一个匹配表,当遇到坏块时,将其匹配到好块的地址上。
    实际的数据读写中只使用4 000个块,根据这些要求设计了这样的匹配表:长度512 B,存放在第0个块的第0个页(B0P0)。具体内容见表2。

    一个块的地址用2 B的16进制数表示。256 B可以存储128个块地址。0~255与256~512中存储的块地址是一一对应的,当使用到0~255中的块地址时,需要从256~511中寻找对应的块地址进行替换。
    在FPGA中生成一个512 B的ram:ram_512,专门用于存放匹配表,当系统上电复位后,状态机会自动将B0P0的数据读出,并将前512 B的数据存入该ram_512中,以便后面匹配时使用[4]。
2.2 全擦与部分擦指令
    该指令用于擦除所有的块,建立新的匹配表。由于坏块会导致擦除不成功,状态机在擦除过程中会记录下1~4 000个块中擦除失败的坏块的地址、4 000~4 095个块中好块的地址,先按照匹配表规定的顺序写入ram_512,全部擦除完成后将ram_512中的数据写入B0P0。由于数据量不足2 KB,因此后面补零。其流程图如图2所示。

    部分擦除与全擦类似,执行这条指令需要给定起始与结尾的块地址,controller_4G08可以完成对2个块地址之间所有块的擦除。当擦除过程中擦到坏块时,状态机会从匹配表中寻找该坏块对应的好块,并擦除。若没有寻找到该坏块的匹配块,则出现了新的坏块,会产生一个报错的标志位,提示主状态机需要进行全擦,以便建立新的匹配表。
2.3 读写匹配
    如果遇到坏块,会造成读写失败,为了满足大批量数据读写的连续性,在读写数据之前必须对当前块地址进行匹配,这些工作由controller_4G08完成,当主状态机给controller_4G08发送块地址后就会执行。
    Flash读写是对页操作的,一次2 KB。FPGA中有一个4 KB的ram:ram_4096,用来作为缓冲区存放数据。当需要向Flash中写入数据时,主状态机向controller_4G08发Page_program指令,发送5 B地址,controller_4G08会自动进行块地址匹配,匹配完之后会给主状态机一个中断信号,主状态机收到这个信号便开始将ram_4096中的数据发给controller_4G08,之后等待中断,收到中断说明写指令执行成功。
    当需要读取数据时,主状态机向controller_4G08发Page_read指令,发送5字节地址,controller_4G08会自动进行块地址匹配及Flash的页读操作,等中断一到便开始接收来自controller_4G08的数据并存至ram_4096中。
    controller_4G08中有一个存放上次块地址的寄存器,每次进行读写操作时,会将当前块地址与上次的块地址进行比较,若相同则说明是好块,可以读写;若不同则需要进行匹配。状态机会从ram_512中寻找该块是否为坏块,进行一系列处理。与擦除指令一样,当读写操作遇到新的坏块时,也会向系统报错。匹配流程图如图3所示。

3 controller_4G08主状态机
    图4是主状态机的状态转换图,系统上电复位后,主状态机将进入等待使能信号状态。收到使能信号后,主状态机会从cmd_code_4G08中读取操作码,然后启动对应的子状态机,执行对应的操作。子状态机执行完毕以后就会通过int_ctl_4G08发送给主状态机一个中断信号,同时将执行结果返回。主状态机收到中断信号后,又进入空闲状态等待下一个使能信号。这样设计的主状态机随时都可以添加新的指令,可扩展性强[4-5]。

4 FPGA下装验证结果
    采用FPGA开发板进行验证。此开发板的硬件资源包括Cyclone的FPGA:EP1C12Q240C、3片Flash:K9F4G08、1片USB总线控制芯片:CH372。利用FPGA控制CH372,可以完成FPGA与PC通过USB进行数据收发[6]。
    在PC上用VB软件编写了调试软件[7],利用该软件可以通过USB口向FPGA发送指令,从而完成对任意Flash页的读、写及全擦。
    首先进行Flash全擦,读取B0P0即可看到匹配表。从匹配表中找到一个坏块的地址对其写入2 KB的数据,然后断电再上电,读取该坏块地址,比较写入与读出的数据发现完全一致,从而验证了本设计的坏块管理和坏块匹配方法的正确性。通过软件操作,对普通好块的读写也是正确的,这里就不再说明了。
    本文用FPGA主状态机直接管理controller_4G08、controller_4G08控制芯片的设计方案可以减少主状态机的状态数量,使FPGA很方便地实现Flash控制功能,设计更加容易实现,具有较强的可复用性与移植性。同时建立了一套完善的Flash文件管理机制。

关键字:实现  控制

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0503/article_5757.html
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