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闪存在嵌入式系统中的应用.doc

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闪存在嵌入式系统中的应用Linux 系统自诞生以来,不断发展壮大,支持越来越多的硬件体系,获得了日益广泛的应用,从服务器、桌面计算,到机顶盒、手机、路由器等,可以说无处不在。虽然都是 Linux 系统,但是嵌入式环境和通用计算环境中的软件/硬件配置大不相同。这是因为嵌入式系统大多都是为某一专门应用而特别设计的,有可能需要耐受各种恶劣环境(比如意外断电、极端温度、强冲击/振动/辐射等) ,还受到体积、功耗、成本等诸多因素的限制,功能针对性强,需要酌情增加一些专用的硬件(如各种传感器和专用接口) ,而许多通用计算机上常用的外设在嵌入式系统中不那么常见,典型的例子是硬盘、CD/DVD-ROM 等大容量的非易失存储设备,在嵌入式系统中,它们通常被各种形式的闪存所取代。闪存的存储特性与硬盘等存储设备的巨大差异,导致它必须使用专用存储控制器、驱动程序及文件系统。对不同类型闪存及相应文件系统的选用,会影响最终形成系统的性能和稳定性,必须综合各种系统构件的特点及目标系统的需求做出慎重的抉择。1 闪存类型及特性嵌入式系统中常用的闪存有两类:NORFLASH 和 NANDFLASH。它们因内部结构与“或非”及“与非”门相似而得名。它们不仅在内部结构上不同,外部特性和应用也不一样。NORFLASH 的容量通常不大,常见的只有几 MB,可以重复擦写 10 万次到 100 万次。NORFLASH 遵循 CFI 标准,可以通过 CFI 命令查询其制造商、器件型号、容量、内部扇区布局等参数,实现软件自动配置。NORFLASH 的优势还在于它在出厂时能保证每个数据位都是有效的,不需要做坏块处理。NORFLASH 的线性寻址特性使之可以作为启动存储器使用。与 NORFLASH 相比,NANDFLASH 的容量可以做得很大,常见的有几十 MB 到几 GB,可以重复擦写 10 万次。NANDFLASH 芯片上没有地址与数据线之分,只有复用的 I/O 线和命令锁存(CLE)、地址锁存(ALE)、读/写使能(RE,WE)和片选(CE)等控制线,必须通过特定的逻辑来操作。NANDFLASH 不支持线性寻址,一般不能用作启动 ROM。但这也不是绝对的。有些微控制器(如 AT91SAM926x)提供出厂前固化在芯片内部的 BOOT-ROM,并在 BOOT-ROM 中提供对 NANDFLASH 启动的支持。不过这样一来,首先启动的是 BOOT-ROM 中的程序,会产生启动逻辑和延时方面的种种问题,设计时需要全面考虑。另外,生产厂商不保证 NAND-FLASH 中每一个数据位都是有效的,除芯片中的第一块之外,允许有“ 初始坏块 ”,并约定在坏块的第一页或第二页带外区(OOB) 的特定位置标记坏块。NANDFLASH 还允许在使用过程中出现新的坏块,以及非坏块在读出过程中出错。基于这些特点,使用这种闪存时要做额外的坏块管理和校验/纠错工作。在写入密集型系统中,必须提供 ECC 及坏块换出算法,才能达到 10 万次的写入指标。除了以上提到的两种闪存之外,还有一种由 NORFLASH 衍生的串行闪存,通常是 SPI 接口。这种闪存继承了 NORFLASH 没有坏块的优点,但不支持 CFI 标准,并且由于是串行接口,线性寻址没有意义,为了方便操作,有些产品中加入了类似 NANDFLASH 的块/页结构及基于片内 SRAM 的页缓存,其优势在于硬件接口简单,提供小尺寸的封装,可以显著减小 PCB 面积和布线复杂程度。另外,基于 NANDFLASH 技术的串行闪存已经量产,使用的也是 SPI 接口,容量可以做到 1Gb。2 应用设计目标应用系统是一台专用的户外显示设备,要求其具有低功耗、抗振、宽温操作及高可靠性等特点。为此,选择了 AT91SAM9261/AT91-SAM9G10,它是以 ARM9 为核心的集成片上液晶控制器的工业级微控制器,以 DATA FLASH/NORFLASH 和 NANDFLASH 存储固件代码和数据。在设计过程中,根据不同的闪存使用需求,采取了具有针对性的方案。2.1 启动设计在该系统中,结合微控制器提供的功能和各种闪存的特点,可以综合使用不同类型的闪存,选择不同的启动方式。AT91SAM9261 内部集成了启动 ROM,其中固化了支持启动和操作闪存的程序。流程图如图 1 所示。当 AT91SAM9261 的启动模式选择(BMS)引脚在复位期间为高电平时,会运行内部固化的启动程序;否则运行外部 NORFLASH 中的程序。从流程图中可以看出,启动程序支持从串行闪存中启动。这是通过启动程序将串行闪存中的代码加载到内部 SRAM 中实现的。由于内部 SRAM 容量有限(依芯片型号不同,有 16 KB 和 160 KB 两种),像 U-BOOt(编译后有 170KB
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