基于NandFlash存儲(chǔ)技術(shù)高速數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計(jì)

　　本文旨在研究一種的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量達(dá)512MB高速數(shù)據(jù)記錄儀,它可以用于多路信號(hào)采集系統(tǒng)中。重點(diǎn)研究在嵌入式linux系統(tǒng)平臺(tái)的架構(gòu)下基于NandFlash的存儲(chǔ)技術(shù)。
　　
　　引言
　　
　　FLASH是一種不揮發(fā)性內(nèi)存，在無電流供應(yīng)的條件下也能夠長久地保持?jǐn)?shù)據(jù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的存儲(chǔ)介質(zhì)具有*的優(yōu)勢(shì)。目前主要的閃存分為兩類：In首先開發(fā)的NORflash和東芝發(fā)布的NandFlash。
　　
　　NorFLASH的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行。應(yīng)用程序可以直接在閃存內(nèi)運(yùn)行。不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR的傳輸效率很高,但是寫入和擦除速度很低。Nandflash存儲(chǔ)單元的讀寫是以頁和塊為單位來進(jìn)行，這種結(jié)構(gòu)zui大的優(yōu)點(diǎn)在于容量可以做得很大，NAND閃存的成本較低，有利于大規(guī)模普及。主要功能是存儲(chǔ)資料。故而現(xiàn)在碼相機(jī)閃存卡和MP3播放器中存儲(chǔ)設(shè)備幾乎全部是NandFlash。現(xiàn)在大部分的嵌入式設(shè)備廠商出于成本的考慮都選擇了NandFlash作為存儲(chǔ)設(shè)備。這樣增加了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)效率而且也限制了Flash容量。
　　
　　結(jié)合兩類閃存的優(yōu)缺點(diǎn)，本文中我們選擇NandFlash作為數(shù)據(jù)記錄儀上午數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，norflash作為數(shù)據(jù)記錄儀的程序存儲(chǔ)器。　　數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計(jì)整體包括兩塊，其部分是數(shù)據(jù)采集模塊一部分是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，用TLC2578芯片來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集AD轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)的調(diào)度核心是ARM處理器，在這里使用S3c2440，ARM主要負(fù)責(zé)核心處理和控制。存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，其中NandFLASH存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件，NorFlash負(fù)責(zé)存儲(chǔ)bootloader,操作系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)，SDRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的程序和數(shù)據(jù)，ARM通過GPIO連接相關(guān)繼電器、觸發(fā)設(shè)備、輸出電壓控制設(shè)備、以及特定設(shè)備采樣A／D并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
　　
　　S3C2440是三星公司的ARM920T的ARM控制器：支持32b的高速AMBA總線接口；帶有MMU，可以進(jìn)行Linux操作系統(tǒng)的移植；支持大頁NAND閃存控制器。NandFlash芯片選用K9F4G08U0M，這是Samsung生產(chǎn)的512MB的NANDFlash存儲(chǔ)器。內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)為（2K+64）字節(jié)×32頁×4096塊,NANDFlash接口信號(hào)比較少，數(shù)據(jù)線寬度只有8bit，CLE和ALE兩個(gè)引腳信號(hào)用來區(qū)分總線上的數(shù)據(jù)類型，沒有地址總線。NorFlash采用16MX16位的E28F128J3A，NORFlash接口與系統(tǒng)總路線*匹配，16個(gè)數(shù)據(jù)輸入輸出引腳，可以連接在系統(tǒng)總線上。NORFlash有三個(gè)芯片片選引腳信號(hào)，選用作為片選信號(hào)，與處理器引腳相連。BYTE接高電平，表示Flash在16位數(shù)據(jù)傳輸模式下。
　　
　　系統(tǒng)軟件組成
　　
　　本系統(tǒng)的軟件部分包括應(yīng)用程序和系統(tǒng)程序，應(yīng)用程序主要是AD采集和讀寫Flash，見圖2，而系統(tǒng)程序就是應(yīng)用程序工作的軟件平臺(tái)。它由以下部分組成：系統(tǒng)引導(dǎo)程序、嵌入式操作系統(tǒng)linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)。
　　
　　系統(tǒng)引導(dǎo)程序負(fù)責(zé)將操作系統(tǒng)內(nèi)核固化到Flash中和系統(tǒng)初始化工作，然后將系統(tǒng)控制權(quán)交給操作系統(tǒng)。在本文里我們使用uboot作為系統(tǒng)引導(dǎo)程序。嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核是嵌入式系統(tǒng)加電運(yùn)行后的管理平臺(tái)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)性任務(wù)和多任務(wù)的管理,這里選擇嵌入式linux內(nèi)核。
　　
　　文件系統(tǒng)是對(duì)一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備上的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)進(jìn)行組織的機(jī)制。Linux文件系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)為分層的體系結(jié)構(gòu)，從而將用戶接口層、文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和操作存儲(chǔ)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序分隔開。JFFS2是專門針對(duì)嵌入式系統(tǒng)中的Flash存儲(chǔ)器的特性而設(shè)計(jì)的一種日志文件系統(tǒng)。YAFFS2支持大頁面的NAND設(shè)備，并且對(duì)大頁面的NAND設(shè)備做了優(yōu)化。
　　
　　軟件平臺(tái)固化在NorFlash中。根據(jù)軟件平臺(tái)的內(nèi)容對(duì)NorFlash的地址空間進(jìn)行分區(qū)，這里分三個(gè)區(qū)，分別存放bootloader、Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)。
　　
　　NandFlash驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
　　
　　NandFlash驅(qū)動(dòng)程序框架
　　
　　按照linux下驅(qū)動(dòng)編寫規(guī)范編寫nandflash驅(qū)動(dòng)，其實(shí)主要工作就是實(shí)現(xiàn)下面這個(gè)結(jié)構(gòu)體中的函數(shù)。　　
　　s3c2440_nand_drive這個(gè)結(jié)構(gòu)體用于向內(nèi)核注冊(cè)NandFlash設(shè)備，它會(huì)被platform_driver_register函數(shù)調(diào)用到。其中s3c2440_nand_probe是zui重要的，它完成對(duì)nand設(shè)備的探測(cè)。　　
　　Nand_scan是在初始化nand的時(shí)候?qū)and進(jìn)行的一步非常好重要的操作，在nand_scan中會(huì)對(duì)我們所寫的關(guān)于特定芯片的讀寫函數(shù)重載到nand_chip結(jié)構(gòu)中去，并會(huì)將mtd_info結(jié)構(gòu)體中的函數(shù)用nand的函數(shù)來重載，實(shí)現(xiàn)了mtd到底層驅(qū)動(dòng)的。并且在nand_scan函數(shù)中會(huì)通過讀取nand芯片的設(shè)備號(hào)和廠家號(hào)自動(dòng)在芯片列表中尋找相應(yīng)的型號(hào)和參數(shù)，并將其注冊(cè)進(jìn)去。
　　
　　NandFlash讀頁操作函數(shù)
　　
　　NandFlash讀數(shù)據(jù)操作以頁為單位,讀數(shù)據(jù)首先寫入讀數(shù)據(jù)命令00H（如圖3）,然后輸入要讀取頁的地址,接著從數(shù)據(jù)寄存器中讀取數(shù)據(jù),zui后進(jìn)行ECC校驗(yàn)。
　　
　　NandFlash寫操作
　　
　　寫操作其實(shí)就是對(duì)頁進(jìn)行編程命令。見圖4，首先寫入80h開始編程模式，接下來寫入地址和數(shù)據(jù);zui后寫入10h表示編程結(jié)束。程序如下：　　　　NANDFlash塊擦除
　　
　　本論文所用到的NandFlash的塊大小是32X（2k+64）Byte,整塊擦除。命令代碼流程：首先寫入60h進(jìn)入擦寫模式，然后輸入塊地址，接下來寫入D0h,表示擦寫結(jié)束。
　　
　　測(cè)試結(jié)果
　　
　　在測(cè)試NandFlash的讀寫速度時(shí)，我們通過TFTP將數(shù)據(jù)下載到RAM中，NandFlash進(jìn)行讀、編程、擦寫測(cè)試。這樣可以比較真實(shí)的測(cè)試NandFlash的讀寫速度，測(cè)試結(jié)果表明從NandFlash讀4MBbytes的數(shù)據(jù)所用的時(shí)間是3886ms,向NandFlash寫4Mbytes數(shù)據(jù)所用的時(shí)間是14026ms,擦除NandFlash中的4MByte需要的時(shí)間是6毫秒。這個(gè)速度還是比較理想的，完成對(duì)32路AD采集過來數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)是足夠的。而且512MByte的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間對(duì)于數(shù)據(jù)記錄儀而言是一個(gè)非常大的容量。
　　
　　結(jié)論
　　
　　測(cè)試結(jié)果表明數(shù)據(jù)記錄儀存儲(chǔ)速度是比較理想的，完成對(duì)AD采集過來數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)是足夠的。而且512MByte的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間對(duì)于數(shù)據(jù)記錄儀而言是一個(gè)非常大的容量。