基于FPGA的控制接口电路设计

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。