基于FPGA的NAND Flash控制接口电路设计

1 引言
随着存储技术的不断进步，Flash Memory的存储容量越来越大，读写数度越来越快。性能价格比越来越高。但是，NAND Flash本身存在缺点，归纳起来有两点：读写控制时序复杂和位交换(o、1反转)问题。NAND Flash器件能够复用指令、地址和数据总线，从而节省了引脚数量，但引脚不仅承担着数据总线的功能，还承担着地址及指令总线的功能，所以造成接口控制时序复杂。位反转的问题更多见于NAND Flash，NAND Flash的供应商建议使用NAND Flash的同时使用EDC/ECC校验算法。 本文实现的NAND Flash控制器放置在CPU和NANF Flash器件之间，实现了NAND Flash的无粘接接口，可以大大简化CPU对NAND Flash的操作时序，提高CPU的使用效率。ECC功能可以保证存储数据的准确性，ECC模块和主控模块相对独立，在不需要ECC功能的时候，只需不使能ECC模块，方便灵活。
2 控制接口电路的功能特性
整个控制接121电路分为两大功能模块：第一个功能模块为主控制器模块，该模块简化NAND Flash的接口时序，可以为NAND Flash设计一个无粘接接口(Glueless Inter一face)，从而使得对NAND Flash操作的时序复杂程度大大降低，使得NAND Flash接口映射为一个类似于SRAM的无粘结接口。第二个功能模块是ECC模块，该模块对512个字节能纠正单比特错误和检测双比特错误，但对单比特以上的错误无法纠正。对两比特以E的错误不保证能检测。
两个功能模块相对独立，ECC功能模块位于主控制器模块与NAND Flash芯片之间，可以选择工作与不工作，主控制器模块的所有命令都会通过ECC模块传给NANDFlash芯片。当令ECC模块不工作时。ECC模块就相当于连接主控制器模块与NAND Flash芯片的导线；当ECC模块工作时。只会在丰控制器模块的操作中加入一些步骤，并不会打乱主控制器模块的操作时序。
3 主控制器
3．1寄存器和缓存配置
主控制器的外部接口类似于SRAM的，然而SRAM只有读和写两种主要操作。而NAND Flash除r页编程与读操作之外还有ID读取、重置、块擦除和状态读取等操作，在不改变接口的情况下只能采用与NAND Flash类似的写控制字的方式。主控制器有16字节寄存器组，可以从I／O总线上读取指令和地址。指令寄存器采用存储器映射(Memory Mapped Register)的编址方式，也就是说，寄存器的地址统一编入内存空间，从0xFF0到OxFFA。
3．2主控制器的实现
主控制器的结构框图见图1。下面分别讨论时钟控制模块和状态控制模块的设计实现。

(1)时钟控制模块。对于这种读写使能都是低电平有效的芯片，采用占空比为1：1的时钟进行读写操作对提高数据的存取速度并不划算。比如，进行读取操作时，RE_L至少要保证低电平35ns才能保证数据被正确读取，RE_L上升为高电平后只要保证数据再被保持10ns的时间就行，这样加上5ns的余量，时钟周期至少也要为80ns。为r保证数据能够被正确读取，并尽量提高读取速度，我们采用16．7MHz即周期为60ns，占空比为1：2的时钟。这种情况下，低电平持续时间为40ns，35ns数据确信被读取后，仍有5ns的余量，高电平有20ns时间，也很充裕，既保证了数据的正确读取。又充分发挥了器件的性能。
(2)状态控制模块。如图2所示，主控制器执行可控制
NAND Flash进行重置、块擦除、页读取、查错、读ID。页编程和状态读取指令的操作，不支持对NAND Flash的随机读写操作。当地址输入为0xFFA时，指令寄存器中的命令字就会被读取，确定下一步要执行的指令，然后转移到相应的状态。

4 ECC模块
NAND Flash器件都受位交换现象的困扰，在某些情况下一个比特位会发生反转。本节论述了专用校验算法ECC(Error Correction Code，简称ECC的设计实现过程。ECC模块被置于NAND Flash器件和主控制器之间，ECC模块从主控制器接收各种信号，不需要工作时直接将收到的信号传给NAND Flash。需要工作时截取主控制器的控制信号，加七自己的操作后再传给NAND Flash。ECC模块结构见图3。

(1)校验码生成模块。ECC校验码生成模块有96比特(12字节)的运算寄存器供运算时暂存数据，分成四组每组三字节的寄存器，这些寄存器保存着奇偶校验值(也就是各位的异或值)，每当数据送人时这些寄存器的值就更新一次。这些奇偶校验标志的计算基于每字节数据的顺序位置及数据本身。
(2)纠错模块。当NAND Flash进行读操作时，读出的数据将会被ECC码生成模块重新计算ECC码。当主控制器读完一页的所有2 010字节数据后，ECC模块开始读取事先写入的FffX2校验码，这些校验码按字节移人查错模块的移位寄存器中。当3字节校验码移入寄存器后，查错模块将其与新牛成的ECC码做异或运算并确定错误类型及位置，同时将错误信息存入一个14位的寄存器中。
(3)状态控制模块。ECC模块的状态控制部分控制整个ECC模块的工作时序，见图4，同时根据当前的状态信息输出状态信号。对于读操作，计算一次ECC码需要512字节，因此每次至少要读出512字节的数据。为简单起见，我们只对N趟蛔Flash进行整页的读操作，总线上传输前2 048字节数据时，ECC模块计算ECC码，传后12字节数据时，ECC模块将其存下，待数据传输完毕后进行校验，将存下的E(℃码与计算出的ECC码进行按位异或，确定数据的正确性。对于写操作，与读操作类似，写操作也要以整页为单位进行。数据一边传入NAND Flash，ECC模块同时计算ECC码。当主控制模块传人第2 010字节数据后，ECC模块接管数据总线，将自己计算出的ECC码传人NAND Flash。对于查错操作，当主控制器下0x23指令时进入该状态。将每页2 048字节数据共产生的8字节错误信息，包括错误的位置及种类传送给主控制器，对于其它操作指令直接传给NAND Flash芯片。

5 控制接口电路的验证
对块擦除指令、页读取指令、页编程指令、重置指令进行功能仿真。地址0XFFA为指令寄存器，0x6代表块擦除，0x0代表页读取，0x8代表页编程，0xF代表重置。仿真结果如图5~图8所示。通过和NAND Flash器件要求的时序图对比可以看出，控制器输出的信号完全符合器件的要求。



6 结束语
本文在分析了NAND Flash产品特性的基础上，给出了NAND Flash控制接口电路的设计方案和验证结果。本文的创新点是采用同步设计和FSM设计方法，控制接口电路能够正确地将以SRAM时序输入的块擦除、页读取、页编程、ID读取、重置、状态读取操作指令转化为NANDFlash器件要求的操作时序，大大简化了NAND Flash的读写控制时序。另外，接口控制电路还能实现ECC功能，具有512个字节中发现2比特错误、纠正l比特错误的检错纠错能力。接口控制电路的各个指令操作功能在Xilinx的Spartarr3 Board上得到了验证，工作最高频率达到100MHz。