基于FPGA的NAND Flash的分区续存的功能设计实现-厦门雄霸

基于FPGA的NAND Flash的分区续存的功能设计实现

行业动态 | 2023-08-21 09:37:34 | 作者

编者按：传统的控制器只能从NAND Flash存储器的起始位置开始存储数据，会覆盖上次存储的数据，无法进行数据的连续存储。针对该问题，本文设计了一种基于FPGA的简单方便的NAND Flash分区管理的方法。该方法在NAND Flash上开辟专用的存储空间，记录最新分区信息，将剩余的NAND Flash空间划成多个分区。本文给出了分区工作机理以及分区控制的状态机图，并进行了验证。

0 引言

随着现代技术的发展，越来越多的系统采用NAND Flash芯片实时记录数据，越来越大的NAND Flash容量让系统可以存储更大量的数据和更长的时间。但是，随着系统的变得复杂，对数据的存储也提出了更高的要求。传统的NAND Flash 控制器每次存储都是从Flash 的零地址开始，本次存储任务结束后，当系统再次开启存储后，再次从零地址开始存储。新的数据会写覆盖之前的数据，无法实现数据的续存，使得NAND Flash使用起来十分不便；而且数据反复地从零地址开始存储，造成NAND Flash存储器的使用上的不均衡，影响其寿命^[1]。

本文提出了一种基于FPGA的NAND Flash 分区续存功能的控制器实现方法：NAND Flash控制器根据控制对象的特点，将NAND Flash划分多个分区，利用其自身的某一空间记录最新的分区地址信息，控制器在初始化时通过读取最新的分区地址信息，自动跳过该分区，在下一分区开始存储，同时更新最新的分区地址信息。通过这种方法，可以灵活地实现NAND Flash 控制器分区续存的功能，解决了数据不能续存的问题，同时也解决了NAND Flash 存储器的使用的不均衡的问题。

1 电路说明

NAND Flash芯片使用型号是三星公司的K9K8G08U0A，单片容量为1 G x 8 Bit。该芯片总共有8 192 个块（Block），每个块中含有64 页（Page），每页共2112 个字节（前2 048 个主存储空间+64 个扩展空间）。芯片容量结构如图1 所示。

图1 NAND Flash内部存储空间结构图

FPGA 使用型号为Xilinx 公司Virtex II 系列的XC2V1000，芯片内部有5 120 个Slice、40 个乘法器、720 kbit 的RAM 模块资源、320 个用户I/O 引脚。2 NAND Flash控制器设计

2.1 控制器概述

NAND Flash 控制器结构框图如图2 所示，一共分为应用层和接口层2 部分，接口层负责与NAND Flash的读、写，擦操作的接口；应用层负责调用接口层模块，同时完成NAND Flash 控制器的控制功能，分区续存功能设计在工作控制模块中^[2]。

图2 控制器结构框图

2.1.1 分区设计

本型号NAND Flash 一共有8 192 个块，块地址从0~8 191。其中块0、块 1 用作状态存储区，其中块0 用于坏块表的存储，块1 用于存储本次数据记录用到的最新分区的地址信息；块2~ 块8 191 作用数据存储区，共计8 190 个块，在本设计中，将这8 190 个块分为10个分区，分别为分区0~9，每个分区有819 个块。分区设计结构如图3 所示^[3]。

图3 NAND Flash分区结构

数据存储区的每个分区的起始地址和结束地址见表1。

表1 分区起始地址与结束地址

2.1.2 分区工作机理

NAND Flash 控制器上电后，需要先读取到上一次存储的NAND Flash 的分区地址信息，所以需要有一块专门的空间用于存储该地址^[4-5]。在本设计中，利用NAND Flash 的块1 的第0 页专门的用于存储该地址信息，使用分区的起始地址作为分区的地址信息。

最新分区的地址信息需要动态更新。控制器获取起始地址信息后，根据分区大小，自动计算出下一分区的首地址作为本次存储操作的起始地址。控制器先将计算后的起始地址信息更新至块1 的第0 页处，然后从计算后的起始地址开始，进行数据存储操作。当数据存储操作超过本次分区的地址范围，则控制器在跨分区时，再次计算出下一分区的起始地址，并更新最新分区地址至块1 的第0 页处，从而实现了最新分区起始地址的实时更新^[6]。

2.1.3 分区地址的存储

NAND Flash 存储器块1 中的第0 页为最新分区的首地址存储区，存储的数据格式如图4 所示。第0 页的第0、1 字节为最新分区首地址；第0 页的其他的数据皆为0xCB，该数据用于大量数据读取时的检索，能够方便地找到最新分区的首地址存储区。

图4 分区信息存储结构

由于块1 反复地被更新写入最新分区的起始地址，需要估算块1 的使用寿命：本次应用中，根据系统的要求，要存储的数据量为每间隔5 ms 存储256 个字节，可计算得到存储的数据量为51 kbit/s，则存满1 页需要40 ms，存满1 块需要2.56 s，存满1 个分区需要约38 min，即大约每隔38 min 就要对块1 进行1 次写操作。根据NANDFlash 寿命按10 万次写操作计算^[7]，则NAND Flash 块1 在本系统中的使用时长约为6.3 万h，能够满足正常的使用需求。

2.1.4 分区状态机的设计

根据分区机理，FPGA 的工作控制模块设计了分区相关的状态机，状态机流程如图5 所示，状态跳转如下：上电后，状态机从状态1 跳转至状态2，判断初始化是否结束。等待初始化结束后，状态机跳转至状态3，读取块1的第0 页中的数据，得到上一次的分区信息；在状态4 中计算中更新本次要操作的最新的分区地址。状态机依次跳转至状态5、6，将更新后的最新分区地址写入块1 的第0 页，且更新本次操作的块地址。状态机跳转至状态6，进行正常的数据存储操作。状态7、8，9 为正常的连续写操作状态。状态10 时判断是否超出本分区，如果超出，则跳转至状态4 重新计算并更新分区地址，否则跳转至状态6 继续存储数据。

图5 状态机转换图

当电路下电，再次上电后，状态机会跳过上一次操作的分区，从下一分区开始存储数据，保证了数据存储的连续性，前一次的存储的数据不会被本次数据覆盖，本次数据前一次操作的分区的下一分区进行存储。

3 验证情况

验证的电路框图如图6 所示。在NAND Flash控制器中进行验证，分区功能嵌入在工作控制模块中，在FPGA 中设计1 个模拟数据源，模拟系统发送的数据，每隔5 ms 写入256 个字节数据；通过维护串口与上位机进行通信，可以通过上位机启动控制器工作和停止，读取块1 的数据等^[8]。

图6 坏块表模块验证电路框图

验证内容分为两部分，首先为不跨分区的自动续存功能验证，其次为跨分区的自动续存功能验证。

不跨分区验证时，验证的存储时长约为1 min。先通过维护串口与上位机发送读取命令，先读取块1 的数据，得到本次存储前的最新分区信息，然后发送存储命令，1 分钟后直接下电重启，再次读取块1 的数据，对比第2 次读到的最新分区信息，如图7 所示。存储前分区信息为0×0CCE，即分区4。存储后分区信息为0×1001，即分区5。说明本次存储的数据在分区5，成功跳过了分区4，分区4 为上一次存储的空间。

图7 不跨分区试验结果

跨分区验证的存储时长约为45 min，大于38 min，以确保存储的数据能够超过1 个分区。先通过上位机发送读取命令，先读取块1 的数据，得到本次存储前的最新分区信息，然后发送存储命令，45 分钟后下电重启，再次读取块1 的数据，对比第2 次读到的最新分区信息，如图8 所示。存储前分区信息为0×1001，即分区5。存储后分区信息为0×1667，即分区7。说明本次存储的数据在分区6 和分区7，成功实现了跨过分区的存储和更新了最新分区地址信息。