基于Flash的大容量高速数据记录仪的设计

  　　引言

　　FLASH 是一种不挥发性内存，在无电流供应的条件下也能够长久地保持数据，相对于传统的存储介质具有无可比拟的优势。目前主要的闪存分为两类：Intel 首先开发的NOR flash 和东芝发布的NandFlash。

　　Nor FLASH 的特点是芯片内执行。应用程序可以直接在闪存内运行。不必再把代码读到系统RAM 中。NOR 的传输效率很高,但是写入和擦除速度很低。Nandflash 存储单元的读写是以页和块为单位来进行，这种结构最大的优点在于容量可以做得很大，NAND 闪存的成本较低，有利于大规模普及。主要功能是存储资料。故而现在码相机闪存卡和MP3 播放器中存储设备几乎全部是NandFlash。现在大部分的嵌入式设备厂商出于成本的考虑都选择了NandFlash 作为存储设备。这样增加了软件设计的复杂度，降低了系统效率而且也限制了Flash 容量。

　　结合两类闪存的优缺点，本文中我们选择NandFlash 作为数据记录仪上午数据存储器，norflash 作为数据记录仪的程序存储器。
 

图 1：系统整体结构图图

　　数据记录仪设计整体包括两块，其部分是数据采集模块一部分是数据存储模块，用TLC2578 芯片来实现数据采集AD 转换，系统的调度核心是ARM 处理器，在这里使用S3c2440，ARM 主要负责核心处理和控制。存储器负责程序和数据的存储，其中Nand FLASH 存储数据文件，Nor Flash 负责存储bootloader,操作系统内核和文件系统，SDRAM 存储系统运行时的程序和数据，ARM 通过GPIO 连接相关继电器、触发设备、输出电压控制设备、以及特定设备采样A／D 并进行驱动。

　　S3C2440 是三星公司的ARM920T 的ARM 控制器：支持32 b 的高速AMBA 总线接口；带有MMU，可以进行Linux 操作系统的移植；支持大页NAND 闪存控制器。NandFlash 芯片选用K9F4G08U0M，这是Samsung 生产的512 MB 的NAND Flash 存储器。内部存储结构为(2K+64)字节×32 页×4 096 块,NAND Flash 接口信号比较少，数据线宽度只有8bit，CLE 和ALE 两个引脚信号用来区分总线上的数据类型，没有地址总线。Nor Flash 采用16MX16 位的E28F128J3A，NORFlash 接口与系统总路线完全匹配，16 个数据输入输出引脚，可以连接在系统总线上。NORFlash 有三个芯片片选引脚信号，选用作为片选信号，与处理器引脚相连。BYTE接高电平，表示Flash 在16 位数据传输模式下。

　　系统软件组成

　　本系统的软件部分包括应用程序和系统程序，应用程序主要是 AD 采集和读写Flash，见图2，而系统程序就是应用程序工作的软件平台。它由以下部分组成：系统引导程序、嵌入式操作系统linux 内核、文件系统。

　　系统引导程序负责将操作系统内核固化到Flash 中和系统初始化工作，然后将系统控制权交给操作系统。在本文里我们使用uboot 作为系统引导程序。嵌入式操作系统内核是嵌入式系统加电运行后的管理平台，负责实时性任务和多任务的管理,这里选择嵌入式linux 内核。

　　文件系统是对一个存储设备上的数据和元数据进行组织的机制。Linux 文件系统接口实现为分层的体系结构，从而将用户接口层、文件系统实现和操作存储设备的驱动程序分隔开。JFFS2 是专门针对嵌入式系统中的Flash 存储器的特性而设计的一种日志文件系统。YAFFS2 支持大页面的NAND 设备，并且对大页面的NAND 设备做了优化。

　　软件平台固化在Nor Flash 中。根据软件平台的内容 对Nor Flash 的地址空间进行分区，这里分三个区，分别存放bootloader、Linux 内核和文件系统。

　　NandFlash 驱动设计

　　NandFlash 驱动程序框架

　　按照 linux 下驱动编写规范编写nand flash 驱动，其实主要工作就是实现下面这个结构体中的函数。

　　s3c2440_nand_drive 这个结构体用于向内核注册Nand Flash 设备，它会被platform_driver_register 函数调用到。其中s3c2440_nand_probe 是最重要的，它完成对nand 设备的探测。

　　Nand_scan 是在初始化nand 的时候对nand 进行的一步非常好重要的操作，在nand_scan 中会对我们所写的关于特定芯片的读写函数重载到nand_chip 结构中去，并会将mtd_info 结构体中的函数用nand 的函数来重载，实现了mtd 到底层驱动的联系。并且在nand_scan 函数中会通过读取nand 芯片的设备号和厂家号自动在芯片列表中寻找相应的型号和参数，并将其注册进去。

　　NandFlash 读页操作函数

　　NandFlash 读数据操作以页为单位,读数据首先写入读数据命令00H（如图3）,然后输入要读取页的地址,接着从数据寄存器中读取数据,最后进行ECC 校验。

　　NandFlash 写操作

　　写操作其实就是对页进行编程命令。见图4，首先写入80h 开始编程模式，接下来写入地址和数据; 最后写入10h 表示编程结束。程序如下：

图3：读NandFlash 流程

图4： 写NandFlash 流程


 

　　NAND Flash 块擦除

　　本论文所用到的Nand Flash 的块大小是32X(2k+64)Byte,整块擦除。命令代码流程：首先写入60h 进入擦写模式，然后输入块地址，接下来写入D0h, 表示擦写结束。

　　测试结果

　　在测试 Nand Flash 的读写速度时，我们通过TFTP 将数据下载到RAM 中，Nand Flash 进行读、编程、擦写测试。这样可以比较真实的测试Nand Flash 的读写速度，测试结果表明从NandFlash 读4MBbytes 的数据所用的时间是3886ms,向Nand Flash 写4Mbytes 数据所用的时间是14026ms,擦除NandFlash 中的4MByte 需要的时间是6 毫秒。这个速度还是比较理想的，完成对32 路AD 采集过来数据的实时存储是足够的。而且512MByte 的数据存储空间对于数据记录仪而言是一个非常大的容量。

　　结论

　　测试结果表明数据记录仪存储速度是比较理想的，完成对AD 采集过来数据的实时存储是足够的。而且512MByte 的数据存储空间对于数据记录仪而言是一个非常大的容量。