大容量NAND FALSH的原理及应用

占连样，王烈洋，陈像，张水苹，黄小虎

摘要:VDNF2T16VP193EE4V25是珠海欧比特公司自主研发的一款大容量（2Tb）NAND FLASH，文中介绍了该芯片的结构和原理，并针对基于FPGA的应用进行了说明。

关键词：NAND FLASH，FPGA，NIOS II

1.        引言

NAND FLASH被广泛应用于电子系统中作为数据存储。在各种高端电子系统中现场可编程门阵列（FPGA）已被广泛应用。FPGA灵活的硬件逻辑能实现对NAND FLASH的读写操作。本文中阐述了一种基于NIOS II 软核的NAND FLASH的驱动方法。

2.        VDNF2T16VP193EE4V25简介

欧比特公司的VDNF2T16VP193EE4V25是一款容量为2Tb、位宽为16位的NAND FLASH，其内部由8片基片拓扑而成，其拓扑结构如下：


图1 VD1D8G08VS66EE8T7B拓扑结构

其主要特性如下：
        总容量2Tb；
        位宽：16位；
        SLC；
        兼容ONFI2.2；
        封装：PGA193；
        电源：+3.3V（VCC）、+1.8V(VCCQ)。

3.        VDNF2T16VP193EE4V25的控制器设计

大容量NAND FLASH控制器设计包括一个IP核设计。其基于NIOS II 的AVALON总线。AVALON总线能兼容大部分存储器接口，IP核将AVALON总线时序转接至NAND FLASH，从而对NAND FLASH进行读写操作。

IP逻辑主要有片选信号产生、ALE、CLE、RE、WE等控制信号的转接。其中RE、WE信号可采用AVALON总线的RE、WE信号；CLE、ALE采用总线地址的低2位进行控制；片选数量较多可依据AVALON总线的byteen信号进行译码产生。


图2 控制器功能框图

//写信号
assign nand_wr_n         = {avalon_wr_n,avalon_wr_n,avalon_wr_n,avalon_wr_n};
//读信号
assign nand_rd_n        = {avalon_rd_n,avalon_rd_n,avalon_rd_n,avalon_rd_n};
//ALE信号，采用地址0
assign nand_ale        = {avalon_add,avalon_add};
//CLE信号，采用地址1
assign nand_cle = {avalon_add,avalon_add};
//片选信号
assign nand_cs_n = temcs|avalon_byteen_n;       
assign nand_cs_n = temcs|avalon_byteen_n;
……

IP核设计完成后采用QSYS进行硬件平台搭建，QSYS系统软核对外引出信号有EPCS、UART、NAND FLASH接口，在Quartus II建立原理图块进行编译产生硬件信息。



采用Nios II Software Build Tools for Eclipse 对QSYS进行软件编程可实现对NAND FLASH的驱动。

//NAND FLASH数据寄存器地址定义
#define  NandFlashDataReg0              (VDNF2T16_V1_0_BASE)
//NAND FLASH  ALE寄存器地址定义
#define         NandFlashAddReg0                                    (VDNF2T16_V1_0_BASE+4)
//NAND FLASH  CLE寄存器地址定义
#define         NandFlashCmdReg0                            (VDNF2T16_V1_0_BASE+8)
……

以下为读取ID及坏块的信息：

******************************************************************
The cs=0 NAND_FLASH's ID is Right ,The ID is=0x2c881a7a9000
***********************************************************************
This cs=0 FLASH's Bank=0 have 5 BadBlocks:
      The num=0 Bank LUN1's num=90 is BadBlock.
      The num=0 Bank LUN1's num=91 is BadBlock.
      The num=0 Bank LUN1's num=1738 is BadBlock.
      The num=0 Bank LUN2's num=90 is BadBlock.
      The num=0 Bank LUN2's num=91 is BadBlock.
The Number of Bank's Valid Block is Right.
……

4.        结论

本文阐述了一种通过FPGA实现对欧比特公司的大容量NAND FLASH芯片VDNF2T16VP193EE4V25的操作方法。设计中采用ALTERA公司FPGA芯片，利用自建IP搭建硬件平台实现NAND FLASH的驱动。该设计也可移植到其他FPGA上，可以很好地应用在各嵌入式电子系统中。

参考文献：

珠海欧比特控制工程股份有限公司. VDNF2T16VP193EE4V25使用说明书. 2016.
Nios II Software Developer’s Handbook.2011.
Embedded Peripherals IP User Guide .2011.
Avalon Interface Specifications .2011.