NANDFLASH存儲器K9WBG08U1M在視頻記錄器中的應用

摘 要： 為提高視頻記錄器的實時性和穩定性，并結合數字視頻數據量較大的特點，在此設計了一種新型視頻記錄器。該記錄器接口采用基于FPGA+DSP架構的設計方法，設計了K9WBG08U1M存儲陣列讀寫時序，實現了對K9WBG08U1M陣列的實時讀寫。采用該記錄器分別對紅外熱像儀輸出圖像和CCD相機采樣圖像進行連續錄播實驗，實驗結果表明，采用該方法設計的視頻記錄器，由16片K9WBG08U1M存儲器組成的陣列可實現連續兩個半小時的視頻實時錄取和播放。該視頻記錄器滿足圖像實時性要求，魯棒性好。

關鍵詞： NAND FLASH； K9WBG08U1M； 視頻記錄器； 讀寫時序

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）18?0097?04

0 引 言

當前各類嵌入式系統開發設計中，存儲模塊設計是不可或缺的重要方面[1]。隨著半導體技術的發展，固態存儲器以其優異的性能逐漸成為數據存儲系統的首選存儲介質[2]，其中以閃速存儲器（FLASH Memory）發展的最快。FLASH根據芯片內部邏輯架構設計上的差異主要分為NOR FLASH和NAND FLASH兩種[3]。NAND FLASH作為一種安全、快速的存儲體，因其具有體積小、容量大、成本低、掉電數據不丟失等一系列優點，已逐步取代其他半導體存儲元件，成為嵌入式系統中數據存儲的主要載體[4]。NAND FLASH以頁為單位讀寫數據，而以塊為單位擦除數據[5]。與傳統的硬盤相比，NAND FLASH作為一種新興的半導體存儲器件具有存儲密度高、可靠性高、體積小、質量輕、功耗小、壽命長、無噪聲、抗震動、能適應惡劣的力學和溫度環境等優點[6]。主要應用在需要記錄、保存大量數據的存儲設備中。

本文需要對CCD鏡頭采集的圖像數據進行實時記錄與并按圖像格式進行播放，因此需要大量的圖像數據記錄和播放，且要求速度較高，經過比較和實驗，K9WBG08U1M是一個比較理想的選擇。

1 K9WBG08U1M的特性

K9WBG08U1M的內部存儲空間為（4G+128M）×8 b，采用NAND結構，存儲空間按“塊?頁”結構組織，一頁為（2K+64）B，一塊為64頁，一片K9WBG08U1M由兩個K9WAG08U0M單元組成，可通過CE1，CE2信號選擇，共32 768塊。2.7～3.6 V單電源供電，典型頁編程周期為200 μs[7]，典型塊擦除時間為1.5 ms，可進行（2K+64）B的頁寫操作及（128+4）KB的塊擦除操作，在讀操作過程中可將字節數據在25 ns內讀出。且其功耗低，速度快，可靠性較高。K9WAG08U0M的內部存儲結構和地址結構如圖1所示[8]。

2 K9WBG08U1M在視頻記錄器中的應用

2.1 系統構架

本圖像記錄器存儲的圖像格式為256×512，刷新頻率為50 Hz，每分鐘的數據量為393 216 K，每片K9WBG08U1M可存儲10 min的圖像數據，本系統采用16片K9WBG08U1M作為存儲陣列，可連續錄制或播放兩個半小時的視頻圖像。圖像采集、存儲陣列控制、圖像按格式播放由DSP和FPGA聯合控制。控制程序在DSP內完成，PFGA將操作命令和片選地址進行譯碼，選通相應的K9WBG08U1M并產生K9WBG08U1M的相應時序。系統示意框圖如圖2所示。

CCD采樣圖像后圖像數據按8位輸入系統，為提高存儲速度，每兩片K9WBG08U1M組成一個16位存儲組，圖像數據按16位存儲。系統將CCD采集的8位圖像數據先在FPGA內拼接為16位數據，通過EDMA導入DSP存入K9WBG08U1M陣列。在播放時，由DSP從K9WBG08U1M存儲陣列中讀出數據，通過EDMA導入FPGA，在FPGA中再將16位圖像數據拆分成8位圖像數據按視頻格式進行播放。

2.2 K9WBG08U1M的硬件接口設計

K9WBG08U1M有8位地址、數據復用的I/O口，兩個片選信號，5個控制信號和兩個狀態輸出信號。接口說明見表1。

2.3 K9WBG08U1M的軟件接口設計

K9WBG08U1M的地址結構分為行地址（Row Address）和列地址（Column Address），行地址用來指明具體的塊和頁，列地址用來指明頁內具體的寄存器，即為頁內偏移地址。

本文所介紹設計采用DSP+FPGA聯合操控，軟件操作在DSP內完成，FPGA將對應的指令譯碼成FLASH的相應操作時序，本設計有編程靈活、更改簡單等特點。

對K9WBG08U1M的主要操控有：Block Erase（塊擦除）、Page Program（頁編程）、Read Operation（讀操作）、Read Status（讀狀態）。下面對這三種常用操作進行介紹。

2.3.1 Block Erase

K9WBG08U1M在進行存儲數據之前必須進行擦除，數據只有在擦除后才能寫入，擦除操作以塊為單位進行的[9]。塊擦除包括下面3個步驟：

（1）寫入塊擦除建立命令60 h；

（2）分三個字節寫入塊地址；

（3）寫入塊擦除命令D0h。擦除操作完成后通過檢測狀態位I/O0判斷是否擦除成功。軟件流程圖3所示。

3 結 語

隨著基于NAND技術的FLASH固態存儲器的快速發展，其存儲密度也越來越大，而體積、功耗和成本卻在減小，這使得NAND型FLASH在大容量高速存儲設備的研制中得到廣泛應用[10]。本文介紹了NAND FLASH的特點，并設計了基于DSP+FPGA架構的控制電路，及其軟件接口設計。并編寫了用戶界面，通過其選擇塊擦除操作或頁編程操作或者讀操作，通過串口發送控制命令來引導程序進行相應操作。采用該記錄器分別對紅外熱像儀輸出圖像和CCD相機采樣圖像進行連續錄播實驗，試驗表明，本視頻錄放設備可連續進行兩個半小時的視頻錄制或播放。如需更大容量的存儲數據，FLASH陣列可以進一步擴大，并不增加復雜度。

參考文獻

[1] 謝偉華，譚永東，徐偉華.NAND FLASH的驅動程序設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2009（2）：35?38.

[2] 雷磊.NAND型FLASH海量存儲系統的設計與實現[D].南京：南京理工大學，2008.

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[6] 李華，賈振國.基于NAND FLASH的大容量視頻存儲系統的設計[J].物聯網技術，2012（2）：33.

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[8] Samsung Electromics. K9WAG08U0M flash memory datasheet [R]. South Korea： Samsung Electromics， 2007.

[9] 李洋，Michael Collier.數字電視NAND FLASH驅動程序的設計與實現[J].電腦知識與技術，2012（1）：70?73.

[10] 朱知博.基于NAND FLASH的高速大容量存儲系統設計[J].現代電子技術，2011，34（8）：173?175.