一种在Windows CE环境下建立大页面NAND Flash存储系统的方法

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

1、硬件接口电路设计

图1所示为三星公司S3C2440A嵌入式处理器。S3C2440A采用ARM920T内核，主频为400MHz，并自带NAND Flash控制器，能方便地与各种NAND Flash器件进行接口，通过对内部寄存器的读写实现对NAND Flash器件的操作。Nand Flash器件采用三星的2048字节大页面K9F1G08芯片。其管脚作用见表1。

表1

S3C2440通过内部寄存器进行对外部NAND Flash器件的控制，并通过管脚NCON、GPG13、GPG14、GPG15来设置外部NAND Flash的类型；根据K9F1G08U0A的特征，NCON设置为高电平表示大页面器件，GPG13设置为高电平表示页面大小为2048字节，GPG14设置为低电平表示NAND Flash需要4次地址周期操作，GPG15设置为低电平表示器件数据总线宽度为8位。电路设计如图2所示。

在操作前，首先需要先对S3C2440的NAND Flash配置寄存器NFCONF进行正确的设置，以确定外部连接的NAND Flash器件的页面大小、地址周期以及数据总线宽度等信息。

当需要进行一次写数据操作时，首先对寄存器NFCMMD写入命令码，处理器就会自动先将命令控制信号CLE置高，然后通过8位数据总线DATA[7..0]发出写命令码，并通过发出低电平的写使能信号nFWE将命令码写入NAND Flash器件，最后通过设备就绪信号RnB确定操作是否成功。在命令发送成功后，对寄存器NFADDR写入地址，处理器会将地址使能信号ALE置高，并通过8位数据总线DATA[7..0]送出地址，待RnB信号反馈操作成功后，对寄存器NFDATA写入数据即可实现NAND Flash的数据写入。读数据以及擦除等其他操作也与此过程类似。信号时序关系如图3所示(图中HCLK信号为处理器内部总线时钟信号)。

如果所用处理器不含NAND Flash控制器，则需要根据NAND Flash的信号时序要求用通用输入输出引脚模拟出所需的命令使能、地址使能、数据总线等信号。

2、软件设计实现步骤

Windows CE环境下与NAND Flash相关的软件包括EBoot、块设备驱动程序和FAT文件系统三个部分；其中，块设备驱动程序、文件系统和Windows CE的分区管理程序构成了操作系统的存储子系统。各个功能模块的结构关系如图4所示。

步骤1：修改EBoot

EBoot是Windows CE自带的一个Bootloader程序，其中包含了系统启动和初始化的一系列代码，完成系统参数初始化、创建分区及文件系统、提供USB接口及以太网通信、烧写、装载和运行操作系统镜像等一系列功能，其中对分区及文件系统的操作就包含了对NAND Flash进行操作的代码。

EBoot的代码中和NAND Flash有关的部分主要涉及对分区及文件系统进行操作的几个函数，其对NAND Flash的操作也是通过调用与块设备驱动程序共用的FMD_xxx系列函数来完成的。除此之外还需要对EBoot的头文件Loader.h中的几个相关的宏定义进行修改：

#define SECTOR_SIZE      204811  //定义页面大小

#define PAGES_PER_BLOCK  64      //定义块中的页面数

#define SECTOR_TO_BLOCK(sector)      ((sector)＞＞6)//页地址到块地址的转换，页地址右移6位即为块地址

#define BLOCK_TO_SECTOR(block)((block)＜＜6)//块地址到页地址的转换，块地址左移6位即为页地址

步骤2：编写块设备驱动程序

Windows CE操作系统为包括NAND和Nor在内的Flash器件建立了统一的块设备驱动程序结构，由MDD层的FAL(闪存抽象层)和PDD层的FMD_xxx系列函数组成。FAL包含存储组织、损耗平衡、坏块管理等代码，通过调用FMD_xxx系列函数完成器件的底层操作，向上层操作系统提供完备的块设备驱动程序接口，其成员和功能见表2所示。

表2

EBoot和块设备驱动程序Flashdrv.dll都通过FMD_xxx系列函数对NAND Flash进行底层操作，下面是读扇区函数FMD_ReadSector的部分代码：

BOOL FMD_ReadSector(SECTOR_ADDR startSectorAddr，LPBYTE pSectorBuff，

                      PSectorInfo pSectorInfoBuff，DWORD dwNumSectors)

{

……

  NF_CLEAR_RB()；//释放Ready信号

  NF_CMD(0x00)；//送第一次读操作码

  NF_ADDR(0x00)；//送列地址低位

  NF_ADDR(0x00)；//送列地址高位

  NF_ADDR((startSectorAddr)&0xff)；//送行地址低位

  NF_ADDR((startSectorAddr＞＞8)&0xff)；//送行地址高位

  NF_CMD(0x30)；//送第二次读操作码

  NF_DETECT_RB()；//等待器件的Ready信号

for(i＝0；i＜2048；i++){

              pSectorBuff[i]＝(BYTE)NF_DATA_R()；//读取一个页面的数据到缓冲区

    }

    ……

}

其他函数的实现也与此类似。同时，FMD_GetInfo函数还需要向FAL返回当前器件的各种信息：

BOOL FMD_GetInfo(PFlashInfo pFlashInfo)

{

  pFlashInfo-＞flashType＝NAND；//Flash器件类型，NAND或NOR

  pFlashInfo-＞dwNumBlock＝1024；//块数目

  pFlashInfo-＞dwBytesPerBlock＝64*2048；//每块包含的字节数

  pFlashInfo-＞wSectorsPerBlock＝64；//每块内的页面数目

  pFlashInfo-＞wDataBytesPerSector＝2048；//页面大小

  return TRUE；

}

步骤3：改造FAT文件系统

文件管理系统处于整个存储系统的最上层，包括分区装载程序和文件系统。操作系统启动时，由分区加载程序mspart.dll检查块设备的分区表，并根据每个分区的文件系统标识加载相应的文件系统。系统一般设有二个分区，第一个采用BinFS文件系统，用于存储Windows CE操作系统的镜像文件NK.bin；另一个分区采用FAT文件系统，用于存储用户数据。FAT文件系统一般由fatfsd.dll和fatutil.dll两个文件组成，前者负责文件系统的挂载、卸载、读取、写入、搜索等操作，后者则包含了对FAT分区的扫描、格式化等功能代码；应用层软件通过FAT文件系统对存储子系统及存储器件进行操作。

常规页面NAND Flash和Nor Flash的页面大小与FAT文件系统所定义的扇区大小恰好相同，均为512字节，因此微软公司在设计Windows CE操作系统的FAT文件系统时就利用了这一特性，使文件系统的虚拟扇区大小与Flash器件的页面大小相同。Windows CE操作系统启动时，会通过分区加载程序mspart.dll加载NAND Flash分区；由于其加载时会通过fatutil.dll判断存储设备的页面大小是否为512字节，如果不是就停止装载，因此需要解决NAND Flash器件的页面大小与FAT文件系统虚拟扇区大小不一致的问题。

假设Windows CE开发包安装在D盘下，首先在目录D:\WINCE420\PRIVATE\WINCEOS\COREOS\FSD\FATFS\下找到文件fatfmt.h，在目录D:\WINCE420\PUBLIC\COMMON\OAK\DRIVERS\FSD\FATUTIL\MAIN目录下找到文件fatutilp.h，将两个文件中的参数宏定义DEFAULT_SECTOR_SIZE由512改为2048，并根据该参数修改FAT文件系统源代码的相关部分；然后在Windows CE 4.2版本的开发工具Platform Builder(PB)环境下，点击菜单“Build-＞Open Build Release Directory”，打开编译环境命令行窗口，在两个目录下分别执行build命令重新编译，在目录D:\WINCE420\PUBLIC\COMMON\OAK\LIB\ARMV4I\RETAIL下就会生成全新的静态库文件fatfsd.lib和fatutil_main.lib。最后在PB工程中加入对FAT文件系统的支持，重新编译生成镜像文件NK.bin；这样，新生成的FAT文件系统使用的虚拟扇区大小为2048，就能够完善地支持大页面NAND Flash器件。

3、性能测试结果

将K9F1208(页面大小512字节)和K9F1G08(页面大小2048字节)二种器件，在同样的条件下(Windows CE环境，采用400MHz S3C2440A处理器)采用不同的读缓冲区大小进行了速度测试。从测试结果来看，利用本方法实现的大页面NAND Flash存储系统与常规页面NAND Flash器件实现的存储系统相比有着显著的性能优势；测试结果如表3所示

表3

(单位：MByte/s)