基于NAND FLASH控制器的自启动方式实现SOC系统的设计

1、引 言

随着消费类电子产品包括PDA，MP3、智能手机等手持设备的市场需求逐步扩大，产品间的竞争也愈发激烈，降低产品的设计成本，提升产品的市场竞争力成为嵌入式系统开发者所面临的重大挑战。NAND FLASH和NORFLASH作为两种主要的非易失性存储器，被应用于各种嵌入式系统。其中NAND FLASH主要优点在于存储密度高、容量大，有更占优势的存储性价比。但是NANDFLASH由于其独特的页式读写方式，并不适合程序的直接执行。因此，从NAND FLASH启动需要片上存储器作为代码执行的中转区。本文所讨论的一种系统启动方式，是在缺少片上存储器支持的情况下，实现系统直接从NAND FLASH启动。论文中充分考虑了如何实现软、硬件之间的协同工作，以完成SOC系统的设计。

2、NAND FLASH控制器的结构

本文所讨论的NAND FLASH控制器是针对一款基于ARM7TDMI的SoC芯片，该控制器在芯片中的位置如图1所示，作为AMBA总线上的一个从设备集成于AHB上。主要模块包括总线接口模块、FIFO缓冲模块、ECC编码模块以及逻辑控制模块。

 

总线接口模块主要的功能是转换AMBA总线上的控制和数据信号：将总线上的数据送入FIFO或将数据从FIFO读出到总线上，将总线上的控制信号转换时序后送到控制模块。

NAND控制器包含一个宽度为32 b，深度为4的缓冲FIFO，用于解决高速总线与低速设备之间数据传输速度的匹配问题。为提高总线的传输效率，以及控制器设计的便利性，NAND FLASH在总线上的数据传输采用DMA的方式来完成。譬如在读取FLASH一页数据时，数据持续写入控制器FIFO，FIFO满时发出DMA传输的请求，同时暂停FLASH的数据读取，控制信号nRE拉高，直至DMA响应请求即FIFO不满时，FLASH的数据传输重新开始。当选择应用的FLASH位宽为8，页大小为（512+16）B时，控制器需要发出（32+1）次4拍字宽度的DMA传输请求来完成数据和校验信息的读取。

控制模块的上作主要是将总线接口转换的控制信号，按照NAND FLASH的接口协议．将片选、地址、命令、读写使能按照所配置的时序要求，发送到NAND FLASH中，并且控制数据的传输个数，以及DMA请求、数据传输完成中断、数据错误中断等系统信号。

NAND FLASH可靠性相对较差，存储器芯片中有坏块的存在，会导致存储数据出错。ECC校验模块针对NAND FLASH的可靠性问题，提供了一种查错、纠错的机制。ECC校验码在数据读人时，由硬件计算完成后写入到FLASH的校验位中，当此页数据读出时，校验码再次生成与存储器校验位中的数据进行比较，若相同则没有损坏位，若不同，则给出出错中断，软件通过检查比较结果，判断出错位的位置进行纠错处理。纠错功能仅针对单bit位的出错，当一个以上位同时在一页中出现时，ECC校验不能给出出错位正确的位置。

3、NAND FLASH工作的软件流程

按照上节对控制器结构以及传输机理的分析，NANDFLASH的使用需要在FLASH控制器模块以及DMA控制器模块的协同下完成，工作的软件流程如图2所示。

软件驱动的主要工作是配置DMA模块以及FLASH控制模块，当传输完成，检测到中断后，软件查询状态寄存器，其中的状态位来自FLASH。当一次操作完成后，控制器自动向FLASH发出查询状态的命令0x70，读出的状态字保存在控制器的状态寄存器中。

4、NAND FLASH系统启动的传统模式

目前支持从NAND FLASH启动的SoC芯片中，一般都内嵌有片卜存储器。各个处理器厂商对这块片上存储器定义的容量大小有所不同，但是启动模式都是比较一致的。NAND FLASH按页顺序读取的方式，意味着对当前的存储地址访问后就无法马上再次访问，需在当前页访问完成后，重新对此页访问时，才可对先前的地址单元再次访问，这就导致了一些程序语句无法执行，譬如跳转、循环等语句的使用。因此NAND FLASH仅作为启动代码的存储区，而真正执行的存储器区域是内嵌的片上存储器或者片外的SDRAM。

以上文中描述的控制器为例，按照这种启动模式，程序搬运以及执行的过程如下：

 

系统上电前，外部硬线NAND BOOT开关选择从NAND FLASH启动。芯片设计时，默认DMA占有系统总线，DMA按照配置寄存器的默认值工作，其源地址指向NAND FLASH，目标地址指向片上SRAM，NANDFLASH控制器在NAND BOOT选中的情况下，默认向NAND FLASH的首页发出读命令。即上电后，DMA控制器以及NAND FLASH控制器默认的把FLASH存储器中的第一页搬到了片上SRAM中。一直到DMA的工作完成前，ARM核无法占用总线。此时零地址映射在片上SRAM，DMA完成搬运后，ARM开始执行程序。此段代码完成的工作包括对SDRAM控制器的初始化，从NAND FLASH搬运核心代码至SDRAM，配置地址重映射寄存器至零地址处，最后将PC指向零地址的SDRAM。在SDRAM执行的代码开始真正启动系统。

5、NAND FLASH系统启动的新方法

一般情况下，片上存储器在作为启动代码转移阶石的同时，往往在启动后也有其特殊的作用。可以作为特殊的程序区，譬如在进行MP3解码过程中，核心解码函数作为频繁调用的程序，可以安排在片上SRAM中，以提高读取速度，提升系统性能。在SoC芯片开发过程中，在整体架构以及模块功能的变化之后，这块内嵌的SRAM失去了原来的作用，而仅作为NAND FLASH启动时的代码跳板，对于整个芯片而言，付出的代价比较大。于是提出了在没有片上存储器的架构下，从NAND FLASH启动的一种新模式。

在上述一般模式启动过程中，片上SRAM所起到的作用，就是执行NAND FLASH中第一页的代码，将真正的启动代码引入到SDRAM，最后将PC指针指向SDRAM。在失去片上SRAM的支持后，可以在控制器的FIFO中去执行此段代码，这需要在硬件以及软件代码中作出适当的改变。 （1） 首先需要改变的是地址映射的机制，系统上电后，ARM即从零地址开始执行指令，零地址映射到NAND FLASH的FIFO入口地址，地址的译码过程由AMBA总线模块完成。在外部硬线NAND BOOT拉高的条件下，AMBA从设备地址译码模块在启动过程中，将零地址的设备选择权给到缓冲FIFO。在第一页的指令执行完毕后，PC指针也指向SDRAM。

（2） 其次是NAND FLASH控制器在启动过程中，对数据的读取方式。鉴于NAND FLASH大批量数据读写的特性，往往采用DMA方式对数据进行操作。启动过程中，由ARM core直接向FIFO读取数据，在FIFO读空的情况下，将从没备READY信号拉低，等待NAND中的数据读出。并且在此读取过程中，DMA的请求被屏蔽。

（3） NAND FLASH型号类型众多，从每页容量大小、数据宽度、地址级数以及各型号芯片不同的时序参数，决定了一个控制器接口的兼容性要求相当的高。为了兼容从不同的NAND FLASH启动，设置了4根硬线作为选择。NAND BOOT选择是否从NAND FLASH启动；PAGESIZE选择每页大小，支持512 B／page，2 kB／page；IOWIDE选择数据端口的宽度，支持8位、16位；AD-DRESSCYCLE选择发送地址级数，支持3级、4级、5级地址。时序参数的配置值可以采用默认的宽松值，在读取首页信息之后，将配置值根据当前的时钟频率以及芯片类型，选择舍适的时序值以达到最佳的性能。 （4） 存储器首页的代码是在缓冲FIFO中执行的，FIFO的入口地址是一个高24位的选通地址，因此当系统启动时，零地址开始增加，对FIFO中渎出的指令而言，低8位地址的变化是无关的，FIFO始终被选通。指令的输出是默认的顺序输出。这就要求首页的代码中不可以出现循环、跳转等语句，并且要求在128条指令内完成需要的操作。

6、启动代码和流程的分析

上述的汇编程序即是存放在NAND FLASH首页的启动代码，启动的流程如下：

（1） 配置DMA控制器的4个寄存器，通道使能后，等待FLASH发出的搬运请求；

（2） 配置NAND FLASH控制器的3个寄存器，选择适合的地址、时序参数与所用的FLASH芯片吻合；

（3） 分别在r8～r11中放入程序需要的备用值；

（4） 将需要在SDRAM中运行的4条指令搬入SDRAM 0x30000000处；

（5） 执行Nop指令，Nop指令用于填充一页NANDFLASH中的剩余空间；

（6） 执行在页末的指令，将PC指针指向SDRAM的0x30000000处；

（7） 执行SDRAM中的指令，首先启动NANDFLASH的数据传输，将程序搬往SDRAM的0x30001000处。其次执行一个循环语句，等待第一页的程序搬完，之后将PC指针指向0x30001000处，启动程序从0x30001000处正式开始执行。

7、结 语

本文提出了一种NAND FLASH自启动的新方案，通过对硬件电路以及软件代码作合适的调整，从芯片中去除了内部SRAM，降低了SoC芯片的开发成本。本方案已经通过一款命名为GarfieldV的SoC芯片的测试，达到了预期的效果。

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