基于FPGA的K9F4G08 Flash控制器设计

　　摘 要： 设计了一种能使FPGA的主状态机直接管理Flash的控制器，该控制器具有自己的指令集和中断管理方式。用户可以根据FPGA的系统时钟对控制器进行操作，无需关心Flash对指令和数据的时序要求。控制器建立了自己的坏块管理机制，合并了一些Flash的常用关联指令，方便了用户对FPGA主状态机的设计。

　　K9F4G08是三星公司的512 MB NAND Flash，具有8 bit输入输出总线。存储空间共分成4 096个块，每个块有64个页，每个页容量为2 KB，外加64 B的备用空间，组成256 K行×(2 K+64)列的存储阵列，其地址用5个字节表示[1]。

　　K9F4G08具有自己的指令集，可以完成对Flash一个页的读、写以及对一个块的擦除等操作。有严格的时序要求以保证芯片正确地执行相应的指令。Flash在出厂时会有坏块[1]，坏块是无法操作的，这对于连续大批量的数据存储来说有一定的难度，需要建立一套Flash空间管理方案以保证坏块不被读写，提高数据读写的可靠性。

　　用FPGA直接管理Flash不仅是一种可行的方案，而且还能精简硬件结构。但与具有专用Flash接口的MCU或ARM等高档嵌入式微处理器不同，FPGA不能通过简单的读写指令编程管理Flash，而必须按照时序要求对Flash的端口进行指令和参数的具体操作。若FPGA的主状态机直接管理Flash，将会使状态机的状态数量大量增加，代码将异常复杂，甚至无法完成设计[2][3]。

　　为解决上述问题，本文设计了一个Flash控制器controller_4G08，它建立了自己的指令集，可以方便地实现FPGA对Flash的控制和读写操作。FPGA主状态机可以在系统时钟频率下对controller_4G08发送指令，然后等待controller_4G08返回的中断，中断返回即表示操作完成，无需关心Flash要求的操作时序。采用这个控制器将大大简化FPGA主状态机的状态数量，方便设计和调试，同时代码具有很强的可移植性。

　　1 controller_4G08的设计方案

　　理论上讲FPGA可以直接对Flash操作，但这样会使主状态机状态很多，程序繁琐，当需要大批量数据反复读写时很不方便。本文设计了一个控制器controller_4G08，用这个控制器完成数据指令读写的时序操作。

　　用controller_4G08管理Flash的系统框图如图1所示。FPGA部分有2个模块：主状态机和controller_4G08，它们之间的端口连接包括4 bit指令端口cmd_code_4G08、8 bit数据输入输出端口data_in_4G08与 data_out_4G08、中断信号int_ctl_4G08；FPGA对K9F4G08芯片接口包括8 bit双向数据端口data_4G08、忙标志rb、读使能we、写使能re等端口。FPGA主状态机若想对Flash进行操作，只需要通过cmd_code_4G08向controller_4G08发指令，按照系统时钟通过data_in_4G08与 data_out_4G08收发数据，然后controller_4G08会对K9F4G08执行相应的操作，指令执行完之后会通过int_ctl_4G08给主状态机一个中断信号，告诉主状态机执行完毕。FPGA主状态机不必关注Flash指令操作的时序问题，从而使设计简化。

　　2 controller_4G08的指令集

　　K9F4G08具有自己的指令集，以读操作为例，其操作过程是：首先发送命令00h，再发5个周期地址，最后发送命令30h。Flash开始读相应的页，此时rb信号为低(表示Flash处于busy状态)，等到rb信号为高，再按照时序改变读使能信号，便可将1个页的数据依次读出[1]。

　　controller_4G08根据K9F4G08的指令集建立了自己的指令集，新增了全擦、部分擦指令，并且在读写指令前加入了坏块匹配功能，如表1所示。