引言

CCM3118是蘇州國芯公司一款32位高性能、低功耗SoC芯片，以32位C*CORE C310處理器為核心，并有3個(gè)串口，2個(gè)智能卡接口，1個(gè)PS/2接口，1個(gè)LCDC控制器，多達(dá)72個(gè)通用輸入輸出引腳（GPIO）等豐富資源，在稅控收款機(jī)、POS機(jī)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。稅控收款機(jī)所管理的商品、發(fā)票、銷售記錄等數(shù)據(jù)量非常大，并且國家稅控機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)數(shù)據(jù)的保存時(shí)間、可靠性有明確要求，故需要一種大容量、單位比特價(jià)格低、讀寫性能好、能夠長時(shí)間可靠保存數(shù)據(jù)的非易失存儲(chǔ)器。

NOR和NAND是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。NOR FLASH較早為業(yè)界采用，但由于其成本較高及寫入速度較慢的先天弱勢(shì)，使其僅能在注重執(zhí)行速度或小量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的地方使用。NAND FLASH結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盤一樣可以通過接口輕松升級(jí)，是高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的理想解決方案。

  1 NAND FLASH芯片

1.1 芯片介紹

NAND FLASH是采用NAND結(jié)構(gòu)技術(shù)的非易失存儲(chǔ)器，內(nèi)存有8位和16位兩種組織形式，本文所討論的FLASH都是8位的。FLASH的I/O接口可用于控制命令和地址的輸入，也可用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出。FLASH主要以頁為單位進(jìn)行讀寫（也能夠以字節(jié)為單位進(jìn)行讀寫），以塊為單位進(jìn)行擦除。FLASH頁的大小和塊的大小不同類型塊結(jié)構(gòu)而不同，塊結(jié)構(gòu)有兩種：小塊（圖一）和大塊（圖二），小塊FLASH包含32個(gè)頁，每頁512+16字節(jié)；大塊FLASH包含64頁，每頁2048+16字節(jié)。

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（圖一，小塊類型FLASH）

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（圖二，大塊類型FLASH）

大塊和小塊FLASH都有與頁大小相同大小的頁寄存器，用于數(shù)據(jù)緩存。當(dāng)讀數(shù)據(jù)時(shí)，先從FLASH內(nèi)存單元把數(shù)據(jù)讀到頁寄存器，外部通過訪問FLASH I/O端口獲得頁寄存器中數(shù)據(jù)（地址自動(dòng)累加）；當(dāng)寫數(shù)據(jù)時(shí)，外部通過FLASH I/O端口輸入的數(shù)據(jù)首先緩存在頁寄存器，寫命令發(fā)出后才寫入到內(nèi)存單元中。

FLASH典型的讀操作時(shí)間為50ns/字，寫操作時(shí)間為200us/頁，擦除操作時(shí)間為2ms/塊，塊擦寫次數(shù)超過100K，數(shù)據(jù)保存時(shí)間超過10年。

1.2 固有特性

NAND FLASH自身有一些特性，導(dǎo)致其不能象普通磁盤那樣進(jìn)行操作。主要特性如下：

a) 出廠時(shí)可能存在壞塊，并且使用過程中也會(huì)有壞塊出現(xiàn)。

b) 按頁寫，按塊擦除。

c) 寫操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行。

d) 塊的擦寫壽命有次數(shù)限制。

e) 塊擦除時(shí)間與頁讀寫時(shí)間相比十分長。

需要通過軟件的支持來消除這些特性導(dǎo)致的不足，使得能象操作普通磁盤一樣進(jìn)行FLASH操作。 2 CCM3118操作NAND FLASH工作原理

CCM3118提供多達(dá)72個(gè)通用輸入輸出引腳，擴(kuò)展與FLASH的接口非常簡單、方便，CCM3118與K9F5608 NAND FLASH的接口電路圖如圖三所示：

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sp; （圖三，K9F5608與CCM3118接口電路圖）

通過軟件把CCM3118相關(guān)引腳設(shè)置為GPIO功能，并設(shè)置其方向。按照FLASH讀、寫、擦除操作時(shí)序要求操作這些I/O引腳。圖四、圖五、圖六分別是K9F5608系列小塊FLASH的讀、寫、擦除操作時(shí)命令、地址、數(shù)據(jù)部分的序列：

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（圖四，讀操作序列）

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（圖五，寫操作序列）

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（圖六，擦除操作序列）

在操作序列中，通過對(duì)R/B信號(hào)的判斷可以知道操作是否結(jié)束。對(duì)于寫和擦除操作，在寫命令（0x10H）和擦除命令（0xD0H）發(fā)出之后才進(jìn)行真正的操作，操作結(jié)束后，可以通過發(fā)命令（0x70H）查詢操作是否成功。3 閃存固件程序設(shè)計(jì)

閃存固件程序的需求來源于FLASH本身的物理機(jī)制（用I/O接口傳送控制命令、地址和數(shù)據(jù)信息），和其固有特性導(dǎo)致的不足。所以在考慮軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)該區(qū)別基本的讀/寫/擦操作和高一級(jí)的用于磁盤仿真和閃存管理的算法。FLASH基本的讀/寫/擦操作，通常稱作為內(nèi)存技術(shù)驅(qū)動(dòng)程序（MTD-- Memory Technology Devices）；高一級(jí)的磁盤仿真和閃存管理，通常稱作為閃存轉(zhuǎn)換層（FTL-- Flash TranslationLayer）。FTL層的管理程序調(diào)用MTD接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取，閃存固件程序的架構(gòu)如圖七所示。

  （圖七，閃存固件程序架構(gòu)）

3.1 MTD層

不同廠商、不同F(xiàn)LASH結(jié)構(gòu)導(dǎo)致閃存的控制命令有所差異，不同容量導(dǎo)致地址字節(jié)數(shù)不同。例如三星K9F5608系列讀數(shù)據(jù)方式是：控制命令0x00H，3個(gè)字節(jié)的地址，讀信號(hào)，但K9F1G08系列讀數(shù)據(jù)方式是：控制命令0x00H，5個(gè)字節(jié)的地址，控制命令0x30H，讀信號(hào)。

在MTD層需要針對(duì)這些差異，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)。而且MTD層應(yīng)該封裝這些差異向FTL層提供統(tǒng)一的接口，使得FTL層能夠訪問任意物理地址的數(shù)據(jù)，而不關(guān)心控制命令序列和地址字節(jié)數(shù)。值得注意的是雖然最上層的應(yīng)用都是以扇區(qū)（在FLASH里稱為頁）為單位讀寫數(shù)據(jù)，但FTL層的管理程序需要對(duì)FLASH的冗余數(shù)據(jù)區(qū)（SPARE AREA）進(jìn)行數(shù)據(jù)操作（一般FTL層的管理程序所用的數(shù)據(jù)存放在冗余數(shù)據(jù)區(qū)），所以MTD層也需要提供字節(jié)地址而不僅僅是頁地址的訪問能力。

3.2 FTL層

FTL層的管理程序主要目的是消除FLASH固有特性帶來的不足，讓上層應(yīng)用程序以類似于磁盤的方式對(duì)FLASH進(jìn)行操作。

3.2.1 初始化

在FLASH出廠時(shí)已經(jīng)對(duì)壞塊做了標(biāo)記，所以閃存芯片在被第一次訪問時(shí)需要根據(jù)廠方定義的壞塊識(shí)別方法識(shí)別出所有壞塊，建立壞塊表，避免以后對(duì)這些壞塊進(jìn)行操作。

3.2.2 Block Management

除了在出廠時(shí)由廠方標(biāo)記壞塊外，在FLASH寫或擦除后也能夠通過讀取FLASH狀態(tài)來識(shí)別出剛操作的塊是否壞，如果是壞塊則需要在壞塊表里標(biāo)記出來。

由于壞塊的存在導(dǎo)致不能按照物理地址連續(xù)的存取數(shù)據(jù)，并且為了使上層應(yīng)用不關(guān)心FLASH物理地址是否連續(xù)，需要提供一種機(jī)制把上層傳來的地址（邏輯地址）轉(zhuǎn)為FLASH相應(yīng)的物理地址。在讀數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)邏輯地址找到對(duì)應(yīng)的物理地址；在寫數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)Wear-Leveling算法得到物理地址后，更新邏輯地址與物理地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
3.2.3 Wear-Leveling

由于FLASH塊的擦寫有次數(shù)限制，所以不能對(duì)同一個(gè)塊進(jìn)行頻繁的寫或擦除操作，也就是盡量讓每一個(gè)塊有均等的擦寫機(jī)會(huì)。Wear-Leveling算法有兩個(gè)層次：

1． 新的數(shù)據(jù)寫到最少被使用的空閑塊。

2． 長期不變的數(shù)據(jù)被拷貝到另外的塊中，它原先占用的塊被頻繁更新的數(shù)據(jù)使用。

3.2.4 Block Replacement

當(dāng)往FLASH某一頁寫數(shù)據(jù)后，通過讀取FLASH狀態(tài)可以知道操作是否成功，如果失敗則當(dāng)前塊要被標(biāo)記為壞塊，由于當(dāng)前頁寫失敗并不影響同一塊中其它頁的數(shù)據(jù)，所以需要把這些數(shù)據(jù)拷貝到新的塊中。

由于FLASH具有按頁寫，按塊擦除的特性，在對(duì)FLASH某塊中一頁更新而又要擦除該塊時(shí)，也需要通過塊替換把其它頁拷貝到一個(gè)新塊中。

3.2.5 Garbage Collection

由于FLASH寫操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行，并且相對(duì)于讀寫操作，擦除操作的時(shí)間十分長。所以在更新數(shù)據(jù)時(shí)并不是把數(shù)據(jù)所在的塊擦除后在寫入數(shù)據(jù)，而是找一個(gè)新的空閑塊寫入數(shù)據(jù)，把先前的塊標(biāo)記為舍棄，在系統(tǒng)空閑的時(shí)候擦除那些標(biāo)記為舍棄的塊。

3.2.6 FTL接口

向上一層提供一個(gè)連續(xù)的、沒有壞塊的、以扇區(qū)為單位訪問的地址空間及存取接口。

4 結(jié)論

NAND FLASH這種高密度、存取性能高、單片容量不斷增加的存儲(chǔ)器可滿足稅控收款機(jī)對(duì)大批量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求；CCM3118豐富的GPIO資源可以非常簡單的實(shí)現(xiàn)對(duì)FLASH操作，達(dá)到大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)擴(kuò)展的目的；針對(duì)FLASH固有特性的程序設(shè)計(jì)能有效的消除NAND FLAH自身的缺陷，滿足稅控收款機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)存取高可靠性的要求。

參考文獻(xiàn)

1 Samsung Electronics Datasheet. Samsung—K9F5608(16)q(u)0b
2 Samsung Electronics Datasheet. Samsung—K9F2G08X0M
3 蘇州國芯科技有限公司CCM3118 Data sheet.