基于Power PC架構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的FLASH選型及設(shè)計要點

施辰光 張陽

摘 要：本文以MPC8349處理器所搭建的嵌入式系統(tǒng)為例，分析了國內(nèi)外幾種NOR FLASH芯片在選型、布局、焊接時所需要注意的事項，并針對傳統(tǒng)的NOR FLASH自測試方法提出了改進意見。

關(guān)鍵詞：MPC8349；NOR FLASH；Power PC；嵌入式系統(tǒng)；脫焊

隨著當(dāng)今計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，國防、通訊、醫(yī)療儀器、工業(yè)控制等領(lǐng)域?qū)τ嬎銠C的要求也變得越來越高。

嵌入式系統(tǒng)的功耗低、可靠性高、處理能力強、實時性強等優(yōu)點使得嵌入式系統(tǒng)能夠滿足機載計算機的各項要求，成為當(dāng)代機載計算機的主要實現(xiàn)方式。

Freescale公司推出的Power PC嵌入式處理器集成度高，接口豐富，應(yīng)用廣泛，在全球處理器市場上處于無可爭議的領(lǐng)先地位。

Power PC處理器上電后會從其存儲接口讀取引導(dǎo)程序，來對處理器進行初始化，接著再從存儲接口中讀取操作系統(tǒng)和需要運行的應(yīng)用程序，因而存儲器是Power PC嵌入式系統(tǒng)中不可或缺的一部分。

FLASH已經(jīng)成為了目前最成功、最流行的一種固態(tài)內(nèi)存，與EPROM、EEPROM相比FLASH的讀寫速度更快，而與SRAM相比FLASH具有非易失、以及價廉等優(yōu)勢，因而絕大多數(shù)PowerPC嵌入式系統(tǒng)都采用FLASH作為其數(shù)據(jù)存儲單元。

1 NAND FLASH與NOR FLASH

FLASH用于存儲系統(tǒng)運行所必需的系統(tǒng)程序、應(yīng)用程序和重要的數(shù)據(jù)，它的優(yōu)點是掉電后其中的數(shù)據(jù)不會丟失。常用的FLASH有NOR型和NAND型兩種。NOR FLASH是由Intel公司在1988年開發(fā)，以替代EPROM和E2PROM，徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統(tǒng)天下的局面。隨后，東芝公司在1989年發(fā)布了Nand Flash[ 1 ]。

NAND FLASH能提供極高的單元密度，并且寫入和擦除的速度也很快，是大容量數(shù)據(jù)存儲的最佳選擇[ 2 ]。但它的缺點也同樣明顯，NAND FLASH讀取速度較慢，它的I/O端口只有8個，數(shù)據(jù)地址線共用，傳送數(shù)據(jù)時，速度遠遠比不上NOR FLASH的并行模式。再加上NAND FLASH的邏輯為電子盤模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)部不存在專門的存儲控制器，一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)壞塊將無法修正， 可靠性較NOR FLASH要差[ 3 ]。

NOR FLASH采用NOR SGC（Stacked Gate Cell）存儲單元，接口都是單獨的地址、數(shù)據(jù)和控制信號，讀寫方式為并行讀寫，便于直接讀取，隨機讀取速度快，但擦除和寫入速度較慢。NOR FLASH最主要的特點是芯片內(nèi)執(zhí)行XIP（eXecute-In-Place），這樣應(yīng)用程序可以直接在FLASH內(nèi)運行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR FLASH的傳輸效率很高，在小容量時具有很高的成本效益，不過在大容量時就顯得力不從心。

以上這些特性使得NAND FLASH適合存儲數(shù)據(jù)，而NOR FLASH適合存儲程序。

本文接下來討論的幾種FLASH都屬于NOR FLASH，用來存儲嵌入式引導(dǎo)程序，操作系統(tǒng)等。

2 MPC8349處理器單板計算機設(shè)計

本文以MPC8349處理器單板計算機為例對PowerPC處理器的嵌入式系統(tǒng)FLASH設(shè)計進行分析。MPC8349嵌入式計算機主要應(yīng)用于信號處理與數(shù)據(jù)計算領(lǐng)域，其系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

MPC8270嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括以下幾個功能電路：電源及復(fù)位電路，時鐘電路，處理器電路，存儲器電路以及對外接口電路。

本系統(tǒng)中的串行接口、網(wǎng)絡(luò)接口和PCI總線均采用MPC8349上集成的協(xié)議控制器來實現(xiàn)。

本系統(tǒng)中的存儲空間包含以下幾個方面：

DDR：采用4片16位256MB的DDR2芯片MT47H128M16HG

-3IT，以地址線共用、數(shù)據(jù)線拼接的方式為處理器提供了64位1GB的動態(tài)存儲空間，還有1片連接ECC 校驗位，進行校驗，以上5片DDR2芯片作為整個系統(tǒng)的動態(tài)存儲單元，為軟件的運行提供空間；

系統(tǒng)FLASH：采用2片16位32MB的FLASH芯片，以地址線共用、數(shù)據(jù)線拼接的方式為處理器提供了32位64MB的系統(tǒng)FLASH，用于存儲引導(dǎo)程序、操作系統(tǒng)等系統(tǒng)程序；

應(yīng)用FLASH：采用2片16位32MB的FLASH芯片，以地址線共用、數(shù)據(jù)線拼接的方式為處理器提供了32位64MB的應(yīng)用FLASH，用于存儲簡單的應(yīng)用程序。

2.1 國內(nèi)外主要FLASH選型差異

MPC8270嵌入式系統(tǒng)中我們總共選用了4片16位32MB的FLASH芯片。國內(nèi)外先后有許多電子元器件廠家生產(chǎn)過這類FLASH芯片，他們大致相同，但選用不同的FLASH芯片在細(xì)節(jié)上有許多需要注意的問題。

2.1.1 扇區(qū)大小

這種規(guī)格的FLASH芯片最早是由AMD公司生產(chǎn)的AM29LV256，該FLASH的扇區(qū)大小為64KB。如今AMD的FLASH停產(chǎn)了，這種規(guī)格的FLASH芯片主要由國外的SPANSION公司和國內(nèi)的國微公司進行生產(chǎn)，但是SPANSION公司和國微公司的FLASH扇區(qū)大小為128KB。

出于通用化考慮，由于不同類型的FLASH的設(shè)備ID是不一樣的，因此我們可以在引導(dǎo)程序中通過讀取設(shè)備ID來識別扇區(qū)大小。

2.1.2 SPANSION公司的兩種FLASH芯片

SPANSION公司生產(chǎn)過兩種8/16位可配置，32MB的FLASH芯片，它們的型號分別為S29GL256N11TFI01和S29GL256P10TFI010。這兩種FLASH芯片的扇區(qū)大小，扇區(qū)總數(shù)，讀寫操作都是一致的。但由于在制作工藝上略有差別，使得它們在進行校驗運算時有所不同。

FLASH芯片在擦除、寫入等操作后需要采用toggle的方式進行查詢，判斷操作是否完成。兩種FLASH的toggle算法最大的差異在于S29GL256N11TFI01為讀兩次之后判斷toggle位是否還在變化，而S29GL256P10TFI010為讀三次之后進行判斷。如果沒有按照正確的算法進行校驗，在數(shù)據(jù)量比較小的時候或許也能使用，但進行數(shù)據(jù)量比較大的操作時經(jīng)常會出現(xiàn)錯誤。因此也推薦使用讀FLASH的設(shè)備ID號來區(qū)分不同的FLASH芯片，使用相應(yīng)的算法。

2.1.3 國微公司的四種FLASH芯片

深圳國微公司對SPANSION公司的S29GL256N11TFI01芯片進行了國產(chǎn)化研制，質(zhì)量等級為國軍標(biāo)級，校驗算法與S29GL256N11TFI01一致，但是國微公司的FLASH芯片具有四種封裝形式。

除了最初的SM29LV256M，國微公司還提供管腳二次成型的FLASH芯片，從芯片頂端出管腳的飛翼FLASH芯片，以及馬上完成定型的塑封FLASH芯片。

由于前三種FLASH芯片均為金屬封裝，導(dǎo)致芯片質(zhì)量較大，因此使用時建議在FLASH芯片的兩側(cè)點封高強度的膠加以固定，可以有效減少FLASH脫焊現(xiàn)象。

二次成型的FLASH芯片對管腳進行了處理，增加了應(yīng)力釋放環(huán)，用于分?jǐn)偛煌瑴囟葧r芯片管腳處產(chǎn)生的應(yīng)力。飛翼FLASH芯片由于其從芯片頂端出管腳的特性，可極大程度減少焊點處的應(yīng)力，但由于暴露在外的管腳過長，容易在運輸、使用過程中遭受外力造成管腳損壞，建議增加蓋板進行保護。

2.2 PCB布局

對于FLASH芯片，由于其管腳非常細(xì)密，相對來說更加容易出現(xiàn)脫焊。我們對3種模塊近兩年產(chǎn)生的14起脫焊事件進行了分析，有11起脫焊都發(fā)生在距離處理器芯片較近一邊的FLASH芯片上，僅有3起脫焊發(fā)生在距離處理器芯片較遠一邊的FLASH芯片上。

我們對其中一個模塊進行了熱仿真，環(huán)境溫度為30℃，仿真結(jié)果見圖2。

從上圖中我們可以看出，處理器芯片是整個模塊中最大的發(fā)熱源。模塊加電工作時處理器芯片附近的溫度會非常高，不斷地加電掉電產(chǎn)生非常大的冷熱溫差，使得靠近處理器芯片的FLASH受到很大的溫度應(yīng)力，導(dǎo)致脫焊。因此我們在進行PCB布局的時候應(yīng)該把FLASH芯片盡可能遠離處理器等發(fā)熱量較大的芯片。FLASH芯片在走線的時候為了保證信號質(zhì)量，不要從開關(guān)電源、晶振等噪聲較大的芯片下方穿過。FLASH芯片的讀周期時間一般在100ns左右，不屬于高速信號，因此走線要求比較寬松，不需要嚴(yán)格等長。

2.3 FLASH芯片焊接

FLASH芯片如果采取回流焊，會使得管腳淌錫過少，容易出現(xiàn)脫焊。因此建議回流焊之后再進行手工補焊，增加管腳處的錫量。另外，F(xiàn)LASH芯片在維修、更換時一定要將芯片下方的印制板清洗干凈，如果有殘留的松香等雜物，會將FLASH芯片墊高，使得芯片管腳浮空，容易出現(xiàn)脫焊現(xiàn)象。

如果焊接國微公司金屬封裝的FLASH芯片，由于其自重過大，在震動時容易出現(xiàn)脫焊。因此焊接完成這類FLASH芯片時，需要在芯片的兩側(cè)點封高強度膠，對芯片進行固定。

2.4 數(shù)據(jù)保護

我們將引導(dǎo)程序存儲在FLASH中，但是在使用過程中常常由于誤操作，對存放引導(dǎo)程序的區(qū)域進行擦寫，導(dǎo)致引導(dǎo)程序錯誤，整個模塊無法啟動，以至于我們重新需要從處理器芯片的JTAG接口來配置處理器并重新編程，對于一些裝有殼體的模塊十分麻煩。因此可以采取一些措施對我們的引導(dǎo)程序進行保護。

在FLASH芯片上有引腳WP#/ACC，當(dāng)這個信號為低時，可以保護最后一個扇區(qū)不被擦寫。但是最后一個扇區(qū)的地址為0xFFFE0000-0xFFFFFFFF，而PowerPC處理器的上電自啟動地址為0xFFF00100，所以采用該方式不能保護引導(dǎo)程序。因此需要采用控制FLASH的寫信號來完成保護，可以在FPGA中設(shè)置控制寫信號使能寄存器，上電時為“1”。

當(dāng)寫FLASH地址0XFFF00000—0XFFF20000這段地址時，依據(jù)該控制寄存器來決定是否產(chǎn)生寫信號。這種方法可以有效保護我們的引導(dǎo)程序不被誤操作改寫。

2.5 FLASH測試

FLASH一般有兩種類型的測試：FLASH讀測試和FLASH寫測試。FLASH讀測試通常將FLASH中的數(shù)據(jù)讀取出來，與事先設(shè)置好的校驗和進行比較，若比較結(jié)果一致則說明讀取FLASH數(shù)據(jù)正常。FLASH寫測試則是將測試范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)擦除，再寫入新的數(shù)據(jù)。寫入完成后讀取FLASH中新的數(shù)據(jù)，如果和需要寫入的數(shù)據(jù)一致則說明FLASH寫入數(shù)據(jù)正常。

由于FLASH寫入數(shù)據(jù)時具有固定的寫序列，如果在寫序列執(zhí)行過程中處理器收到中斷，跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序，等中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢之后再繼續(xù)進行寫序列會有可能會造成寫入失敗，因此在每一個FLASH寫序列過程中需要關(guān)閉中斷，等到寫序列執(zhí)行完畢后再使能中斷。

傳統(tǒng)的FLASH寫測試一般的操作順序為擦除單個扇區(qū)，寫入數(shù)據(jù)，比較數(shù)據(jù)，擦除下個扇區(qū)。我們在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)有個別FLASH芯片在寫入文件時報錯，但是對FLASH進行寫測試卻沒有發(fā)現(xiàn)錯誤。對FLASH管腳進行檢測時發(fā)現(xiàn)高位地址線橋連或者脫焊。高位地址線橋連或者脫焊使得FLASH芯片在對扇區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進行讀寫操作時沒有影響，但是在扇區(qū)選擇時會發(fā)生錯誤。傳統(tǒng)的測試程序是對單個扇區(qū)進行操作，無法檢測出這類故障。針對這類問題我們對傳統(tǒng)測試程序進行了改進，改進后的操作順序為將所有測試范圍內(nèi)的扇區(qū)進行擦除，向每個扇區(qū)寫入各自不同的數(shù)據(jù)，等所有測試扇區(qū)的數(shù)據(jù)全部寫入完成后進行讀取，再與需要寫入的數(shù)據(jù)進行比較。改進后的測試程序不再局限于單個扇區(qū)，而是對整個測試區(qū)域進行讀寫操作，可以檢測出高位地址線異常而產(chǎn)生的問題。

2.6 其他需要注意的問題

在對FLASH進行擦除或者寫入操作過程中，如果因為突發(fā)情況導(dǎo)致模塊掉電，會使得正在擦除或者寫入的扇區(qū)中的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。重新上電后該扇區(qū)中的個別數(shù)據(jù)會不斷跳變，如果這時對FLASH進行讀測試會報出錯誤。出現(xiàn)這類現(xiàn)象時只需要對該扇區(qū)重新進行擦除，即可消除故障。

3 結(jié)束語

由于航空航天領(lǐng)域?qū)a(chǎn)化的要求，我們在芯片選型時具有一些限制。但隨著國內(nèi)芯片廠家的發(fā)展，將有越來越多的國產(chǎn)芯片可供選擇。S29GL01GP11TFI010等更大容量的NOR FLASH也將進行國產(chǎn)化研制，對此我們拭目以待。

參考文獻：

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[3] 劉錦萍.閃存與數(shù)碼相機.嘉興學(xué)院學(xué)報，2006（S1）.

作者簡介：施辰光（1988-），男，上海人，助理工程師，研究方向：嵌入式技術(shù)。