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BENTLY NEVADA 330130-085-00-05
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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。NANDFLASH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NANDFLASH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NANDFLASH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NANDFLASH启动。***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。
2NANDFLASH控制器的结构
本文所讨论的NANDFLASH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。
控制器及其系统架构
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32b，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，NANDFLASH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NANDFLASH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NANDFLASH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。
NANDFLASH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NANDFLASH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。
3NANDFLASH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。
工作状态流程图
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070，读出的状态字保存在控制器的状态寄存器中。
4NANDFLASH系统启动的传统模式
目前支持从NANDFLASH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。NANDFLASH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NANDFLASH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NANDBOOT开关选择从NANDFLASH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NANDFLASH，目标地址指向片上SRAM，NANDFLASH控制器在NANDBOOT选中的情况下，默认向NANDFLASH的首页发出读命令。即上电后，DMA控制器以及NANDFLASH控制器默认的把FLASH存储器中的***页搬到了片上SRAM中。一直到DM
A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NANDFLASH搬运核心代码至SDRAM，配置地址重映射寄存器至零地址处，***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。
5NANDFLASH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***过程中，核心***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NANDFLASH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NANDFLASH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NANDFLASH中***页的代码，将真正的启动代码引入到SDRAM，***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NANDFLASH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NANDBOOT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***页的指令执行完毕后，PC指针也指向SDRAM。
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