数据存储技术之nand_flash结构和原理剖析

1. 引言

NAND FLASH被广泛应用于电子系统中作为数据存储。在各种高端电子系统中现场可编程门阵列(FPGA)已被广泛应用。FPGA灵活的硬件逻辑能实现对NAND FLASH的读写操作。本文中阐述了一种基于NIOS II 软核的NAND FLASH的驱动方法。

2. VDNF2T16VP193EE4V25简介

欧比特公司的VDNF2T16VP193EE4V25是一款容量为2Tb、位宽为16位的NAND FLASH，其内部由8片基片拓扑而成，其拓扑结构如下：

图1 VD1D8G08VS66EE8T7B拓扑结构

其主要特性如下：

Ø 总容量2Tb;

Ø 位宽：16位;

Ø SLC;

Ø 兼容ONFI2.2;

Ø 封装：PGA193;

Ø 电源：+3.3V(VCC)、+1.8V(VCCQ)。

3. VDNF2T16VP193EE4V25的控制器设计

大容量NAND FLASH控制器设计包括一个IP核设计。其基于NIOS II 的AVALON总线。AVALON总线能兼容大部分存储器接口，IP核将AVALON总线时序转接至NAND FLASH，从而对NAND FLASH进行读写操作。

IP逻辑主要有片选信号产生、ALE、CLE、RE、WE等控制信号的转接。其中RE、WE信号可采用AVALON总线的RE、WE信号;CLE、ALE采用总线地址的低2位进行控制;片选数量较多可依据AVALON总线的byteen信号进行译码产生。

图2 控制器功能框图

//写信号

assign nand_wr_n = {avalon_wr_n,avalon_wr_n,avalon_wr_n,avalon_wr_n};

//读信号

assign nand_rd_n = {avalon_rd_n,avalon_rd_n,avalon_rd_n,avalon_rd_n};

//ALE信号，采用地址0

assign nand_ale = {avalon_add[0],avalon_add[0]};

//CLE信号，采用地址1

assign nand_cle = {avalon_add[1],avalon_add[1]};

//片选信号

assign nand_cs_n[0] = temcs[0]|avalon_byteen_n[0];

assign nand_cs_n[1] = temcs[0]|avalon_byteen_n[1];

……

IP核设计完成后采用QSYS进行硬件平台搭建，QSYS系统软核对外引出信号有EPCS、UART、NAND FLASH接口，在Quartus II建立原理图块进行编译产生硬件信息。

采用Nios II Software Build Tools for Eclipse 对QSYS进行软件编程可实现对NAND FLASH的驱动。

//NAND FLASH数据寄存器地址定义

#define NandFlashDataReg0 (VDNF2T16_V1_0_BASE)

//NAND FLASH ALE寄存器地址定义

#define NandFlashAddReg0 (VDNF2T16_V1_0_BASE+4)

//NAND FLASH CLE寄存器地址定义

#define NandFlashCmdReg0 (VDNF2T16_V1_0_BASE+8)

……

以下为读取ID及坏块的信息：

******************************************************************

The cs=0 NAND_FLASH's ID is Right ,The ID is=0x2c881a7a9000

***********************************************************************

This cs=0 FLASH's Bank=0 have 5 BadBlocks:

The num=0 Bank LUN1's num=90 is BadBlock.

The num=0 Bank LUN1's num=91 is BadBlock.

The num=0 Bank LUN1's num=1738 is BadBlock.

The num=0 Bank LUN2's num=90 is BadBlock.

The num=0 Bank LUN2's num=91 is BadBlock.

The Number of Bank's Valid Block is Right.

……

4. 结论

本文阐述了一种通过FPGA实现对欧比特公司的大容量NAND FLASH芯片VDNF2T16VP193EE4V25的操作方法。设计中采用ALTERA公司FPGA芯片，利用自建IP搭建硬件平台实现NAND FLASH的驱动。该设计也可移植到其他FPGA上，可以很好地应用在各嵌入式电子系统中。