一、Nand Flash接口定義解析

Nand Flash因其具有容量大、成本低、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，被廣泛的用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的解決方案。然而NandFlash的讀寫控制較為復(fù)雜，Nand Flash的接口控制器大多是基于PC機(jī)或ARM處理器為架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)的，存在操作不方便的問題。

FPGA實(shí)現(xiàn)Nand Flash接口的優(yōu)點(diǎn)有很多。首先，F(xiàn)PGA可以實(shí)現(xiàn)Nand Flash的高速讀寫，因?yàn)镕PGA可以通過并行處理來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸速度。其次，F(xiàn)PGA可以實(shí)現(xiàn)Nand Flash的高可靠性，因?yàn)镕PGA可以通過ECC校驗(yàn)來(lái)檢測(cè)和糾正數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤。此外，F(xiàn)PGA可以實(shí)現(xiàn)Nand Flash的低功耗，因?yàn)镕PGA可以通過動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)來(lái)降低功耗。最后，F(xiàn)PGA可以實(shí)現(xiàn)Nand Flash的高靈活性，因?yàn)镕PGA可以通過重新編程來(lái)適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

在Nand Flash控制器中，接口的設(shè)計(jì)直接影響Nand Flash控制器訪問存儲(chǔ)顆粒的速度。目前業(yè)界有兩種主流的接口標(biāo)準(zhǔn)ONFI(Open Nand Flash Interface)與Toggle。ONFI是Intel和Micron等公司主導(dǎo)的開放的Nand Flash接口標(biāo)準(zhǔn)，這里主要針對(duì)ONFI標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行描述。

圖1、ONFI標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展

如圖1所示，ONFI目前支持5種不同的數(shù)據(jù)接口類型：SDR/NV-DDR/NV-DDR2/NV-DDR3和NV-LPDDR4。SDR是傳統(tǒng)的NAND接口，使用RE_n鎖存讀數(shù)據(jù)，WE_n鎖存寫數(shù)據(jù)，沒有時(shí)鐘。NV-DDR是雙數(shù)據(jù)率(Double Data Rate-DDR)接口，含有用來(lái)鎖存命令和地址的時(shí)鐘，和一個(gè)用來(lái)鎖存數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)選通信號(hào)。

NV-DDR2是雙數(shù)據(jù)率接口，含有額外的擴(kuò)展速度(scaling speed)的功能，像On-Dietermination以及差分信號(hào)。NV-DDR3接口包含所有NV-DDR2的特性，但操作在VccQ=1.2V。數(shù)據(jù)接口包含的特性如下圖2所示。

圖2 、ONFI數(shù)據(jù)接口

如果上電時(shí)VccQ=1.8V或3.3V，則device 應(yīng)該操作在SDR接口timing mode 0。如果 Host 在參數(shù)page中判定NV-DDR 和NV-DDR2都被支持，則host可以通過Feature Address為01h的SetFeature命令，來(lái)選擇其中一個(gè)接口以及支持的timing mode。參見ONFI 5.1 5.31.1。

如果上電時(shí)VccQ=1.2V，則 device 應(yīng)操作在NV-DDR3接口timing mode 0。如果host 在參數(shù)page中判明了支持的NV-DDR3timing mode，則host可以通過將CE_n轉(zhuǎn)為高來(lái)使能支持的timing mode，并將接口速度改變?yōu)槠谕膖iming mode。當(dāng)host 將CE_n 拉低后，新的timingmode會(huì)生效。參見ONFI 5.15.31.1。

二、ONFI的接口信號(hào)

圖4、Signal Assignment based on Data Interface Type

如圖4所示，ONFI標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展過程中的接口SDR/NV-DDR/NV-DDR2/NV-DDR3/NV-LPDDR4，其接口信號(hào)也有了相應(yīng)的調(diào)整。

對(duì)于NV-DDR/NV-DDR2/NV-DDR3和NV-LPDDR4接口，與 SDR 接口相比，其共同的變化有：

a、I/O總線重命名為DQ總線

b、新加了一個(gè)名為DQS(DQ Strobe)的DQ 數(shù)據(jù)總線選通信號(hào)。DQS是雙向信號(hào)，用于數(shù)據(jù)傳輸。DQS不能用于命令或地址周期。對(duì)于從host到device的數(shù)據(jù)傳輸(寫)，DQS的鎖存沿對(duì)齊到有效數(shù)據(jù)窗口的中間；對(duì)于從device到host的數(shù)據(jù)傳輸(讀)，DQS的鎖存沿對(duì)齊到DQ總線的轉(zhuǎn)換沿。當(dāng)操作在SDR接口時(shí)，DQS應(yīng)該被host拉高，被device忽略。

對(duì)于 NV-DDR 接口，與SDR接口相比，主要變化有：

a、WE_n變成時(shí)鐘信號(hào)(CLK)。CLK應(yīng)該被使能并且具有有效的時(shí)鐘周期，不論命令周期，地址周期和數(shù)據(jù)周期什么時(shí)候發(fā)生。在CE_n為低期間，CLK應(yīng)保持相同的頻率;參見2.9.1。

b、RE_n變成寫/讀方向信號(hào)(W/R_n)。該信號(hào)表示誰(shuí)擁有DQ總線和DQS信號(hào)。Host應(yīng)該僅在ALE和CLE被鎖存到0時(shí)才能轉(zhuǎn)換W/R_n;參見4.20.2.6中W/R_n要求。

對(duì)于NV-DDR2和NV-DDR3接口，與SDR接口相比，主要變化有：

c、RE_n 可作為單端信號(hào)(single-ended)或者作為一個(gè)互補(bǔ)信號(hào)對(duì)(RE_t,RE_c)使用

d、增加了名為DQS(DQ strobe)的DQ數(shù)據(jù)總線選通信號(hào)。DQS可作為單端信號(hào)或者作為一個(gè)互補(bǔ)信號(hào)對(duì)(DQS_t,DQS_c)使用。

對(duì)于NV-LPDDR4數(shù)據(jù)接口，與SDR數(shù)據(jù)接口相比，變化如下：

a、RE_n必須用作互補(bǔ)信號(hào)對(duì)（RE_t、RE_c）。

b、增加了一個(gè)用于DQ數(shù)據(jù)總線的選通信號(hào)，稱為DQS(DQ選通)。DQS必須用作互補(bǔ)信號(hào)對(duì)（DQS_t、DQS_c）。

c、添加了一個(gè)用于DQ數(shù)據(jù)總線的可選數(shù)據(jù)總線反相信號(hào)，稱為DBI_n。DBI_ n指定DQ信號(hào)是否被反轉(zhuǎn)。DBI_n被視為DQ，因此AC參數(shù)和接口訓(xùn)練等規(guī)范應(yīng)適用于DBI。

三、基于AMD FPGA的Nand Flash接口讀寫實(shí)現(xiàn)

基于上述ONFI的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，使用AMD FPGA進(jìn)行Nand Flash的接口設(shè)計(jì)有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

由于Nand Flash的接口速率比較高，AMD FPGA的IO口性能通過很多代產(chǎn)品的迭代，IO口性能比較穩(wěn)定，兼容性較好；

可以使用AMD MPSOC進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過PS端的程序編寫，可以方便地配合PL端進(jìn)行ONFI標(biāo)準(zhǔn)的接口設(shè)計(jì)，執(zhí)行效率高，并且設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單成熟；

在進(jìn)行ONFI標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)時(shí)，可以通過修改接口PHY部分的硬核邏輯（OSERDES/ISERDES）的配置，就可以提升接口的帶寬，可靠性和穩(wěn)定性都很好。

如圖5所示，使用AMD 的MPSOC可以方便地通過如下類似的BD配置，只需要PS使用簡(jiǎn)單函數(shù)把NandFlash當(dāng)作普通外設(shè)即可進(jìn)行讀寫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的配置和讀寫Nand Flash。如下圖所示。圖中僅展示了Nand Flash的單個(gè)通道的接口BD配置。

由于篇幅有限，不對(duì)Nand Flash芯片的各個(gè)命令不同模式的時(shí)序信號(hào)進(jìn)行介紹，默認(rèn)大家是了解的。

圖5、MPSOC讀寫Flash的簡(jiǎn)單BD配置

而其中有關(guān)Nand Flash Controller的架構(gòu)建議如下圖6所示。

圖6、ONFI的Nand Flash Controller實(shí)現(xiàn)

Nand Flash控制器硬件系統(tǒng)中, 各個(gè)模塊的功能描述如下:

1) 、AXI總線接口模塊模塊

AXI總線接口模塊接收來(lái)自PS端或者CPU端發(fā)送的命令以及數(shù)據(jù)信息, 然后把相應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)的值, 通過狀態(tài)寄存器返回給PS或CPU。它是PS與Nand Flash控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)、命令等交互的橋梁。

2) 、控制器狀態(tài)機(jī)模塊

控制器固件對(duì)Nand Flash芯片的各種操作由狀態(tài)機(jī)完成, 狀態(tài)機(jī)包含Nand Flash控制器運(yùn)行的各種狀態(tài), 每一個(gè)命令碼操作由Nand Flash控制器的各種狀態(tài)有序組合而成, 共同完成對(duì)Nand Flash存儲(chǔ)芯片的一次操作。

圖7、控制器狀態(tài)機(jī)

Nand Flash控制器的功能實(shí)現(xiàn)由控制器狀態(tài)機(jī)模塊完成。系統(tǒng)沒有操作時(shí), 控制器處于IDLE狀態(tài), 命令代碼被寫入命令寄存器,確定下一步要執(zhí)行的命令后，Nand Flash控制器轉(zhuǎn)移到某個(gè)相應(yīng)的子狀態(tài)序列, 完成對(duì)存儲(chǔ)器的指定操作。

在控制器狀態(tài)機(jī)中, 程序?qū)?zhí)行不同功能的控制。每個(gè)獨(dú)立的過程由一個(gè)子狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn), 通過系統(tǒng)的時(shí)鐘來(lái)控制所有的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。每個(gè)子狀態(tài)操作完成需要的步驟和時(shí)鐘個(gè)數(shù)可能不盡相同, 程序則通過維護(hù)一個(gè)專用寄存器進(jìn)行協(xié)調(diào), 以確保滿足Nand Flash器件的時(shí)間控制要求。

3) 、命令接口模塊

命令接口用于進(jìn)行命令的識(shí)別和判斷，Processor側(cè)可以封裝好不同opcode的命令，方便軟件進(jìn)行操作。比如，Select Way0命令，可以設(shè)置opcode為6'h20，address為{24'd0,8'b1}。

4) 、數(shù)據(jù)接口模塊

數(shù)據(jù)接口主要是有關(guān)控制器的用戶側(cè)數(shù)據(jù)的輸入和輸出接口實(shí)現(xiàn)（基于AXI接口），比如iWriteData、iWriteLast、iWriteValid、iWriteKeep、WriteReady、oReadData、oReadLast、oReadValid、oReadKeep、iReadReady等。

5) 、緩存模塊

緩存模塊包括RAM和異步FIFO模塊，模塊用于緩存命令和數(shù)據(jù)的雙端口RAM，由多個(gè)不同RAM和FIFO組成。

6) 、發(fā)送引擎模塊

根據(jù)ONFI的手冊(cè)，識(shí)別Command Interface的不同命令來(lái)拼好時(shí)隙，保證其通過PHY出去的時(shí)候，是符合對(duì)應(yīng)模式下的對(duì)應(yīng)命令的時(shí)序的。

7) 、PHY接口模塊

PHY接口模塊需要使用ISERDES/OSERDES來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要根據(jù)用戶側(cè)的時(shí)鐘頻率來(lái)決定接口的帶寬。通常需要向上兼容（為了兼容不同模式下的時(shí)序要求），需要兼容老的慢速模式（比如NV-DDR/NV-DDR2等），其信號(hào)是上述圖中的DQDQSCEWE等信號(hào)。

四、Nand Flash接口功能測(cè)試流程和實(shí)測(cè)結(jié)果

對(duì)本文所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的Nand Flash控制器的功能, 在EDA軟件環(huán)境下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證, 其測(cè)試流程如圖 8所示。

圖8、接口測(cè)試流程

在圖 5所示的仿真驗(yàn)證過程中, 需對(duì)Nand Flash芯片進(jìn)行一系列交互操作, 如讀ID、擦除、讀設(shè)備、頁(yè)編程、頁(yè)讀取、ECC校驗(yàn)、I/O讀等, 且每次操作完成后, 都要讀設(shè)備狀態(tài)并判斷操作是否成功, 只有操作正常完成才繼續(xù)進(jìn)行下一步的操作, 否則退出測(cè)試過程。

實(shí)際測(cè)試的結(jié)果是，按照上述方案，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)過ONFI2.1（NV-DDR2）的實(shí)際測(cè)試,暫未進(jìn)行NV-DDR3接口的實(shí)際測(cè)試。實(shí)測(cè)MPSOC使用ZU19EG器件，NandFlash芯片選用MT29F64G08AECABH1。NandFlash芯片工作在mode 5狀態(tài)（8192 Bytesper Page）的實(shí)測(cè)條件下，實(shí)現(xiàn)了48 MB/s的寫入速度和93 MB/s 讀出速度。

審核編輯：湯梓紅