CN101751978B - 一种基于nand flash的电子盘及其运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于NAND FLASH的电子盘及其运行控制方法，该系统包括NAND FLASH芯片和FPGA控制器，其中，FPGA控制器用于实现ISA总线与NAND FLASH芯片之间的数据交换，以及ISA总线对NAND FLASH的读写控制；计算机操作系统固化在NAND FLASH芯片中。本发明的基于NAND FLASH的电子盘及其运行控制方法，在工业控制和军事领域应用中，能有效地防止机械振动、粉尘、温度变化等的影响，而且该电子盘采用简化的ISA接口，体积小，直接焊接到系统电路板，接触可靠，便于嵌入式工控的应用，由于该电子盘采用半导体制成，与普通硬盘相比其寿命大大提高，另外，将本发明的电子盘应用于工业计算机系统时，由于操作系统是固化在NAND FLASH芯片中，当有病毒入侵系统时，不能对操作系统进行任何修改，有效地防止了病毒的侵入。

Description

一种基于NAND FLASH的电子盘及其运行控制方法

技术领域

本发明涉及电子盘，更具体地说，涉及一种基于NAND FLASH的电子盘及其运行控制方法。

背景技术

普通硬盘的工作机理是电机带动硬盘盘片高速旋转，通过磁头臂的摆动读取盘片数据。在工业控制和军事领域应用中，由于机械振动、粉尘、温度变化等的影响，硬盘很容易出故障而不能正常使用。而且普通硬盘接口复杂，体积大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的普通硬盘防机械振动、粉尘、温度变化性能差，以及接口复杂，体积大等缺陷，提供一种基于NANDFLASH的电子盘及其运行控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于NAND FLASH的电子盘，包括NAND FLASH芯片和FPGA控制器，其中，FPGA控制器用于实现ISA总线与NAND FLASH芯片之间的数据交换，以及ISA总线对NAND FLASH的读写控制；计算机操作系统固化在NAND FLASH芯片中。

在本发明所述的基于NAND FLASH的电子盘中，所述FPGA控制器包括：

ISA总线接口，用于读取ISA总线发送的数据和控制信号，同时向ISA总线发送NAND FLASH芯片的数据和状态信息；

扩展ROM，用于存储扩展的BIOS数据；

读写控制器，用于根据NAND FLASH芯片的控制时序，向NAND FLASH芯片提供控制信号，并读取NAND FLASH芯片的状态信息。

在本发明所述的基于NAND FLASH的电子盘中，所述读写控制器包括：

写操作模块，用于将ISA总线发送的数据写入NAND FLASH芯片，并反馈写操作状态；

读操作模块，用于读取NAND FLASH芯片发送的数据，并反馈读操作状态；

块删除模块，用于根据ISA总线发送的控制信号，删除NAND FLASH芯片中相应的块地址内的存储单元；

ID识别模块，用于读取NAND FLASH芯片的ID号；

在本发明所述的基于NAND FLASH的电子盘中，所述读写控制器还包括错误控制模块，用于发现和纠正NAND FLASH芯片中数据的比特错误。

在本发明所述的基于NAND FLASH的电子盘中，所述读写控制器还包括坏块管理模块，用于实现NAND FLASH芯片内逻辑块和物理块间的有效映射，以便各逻辑块对应到无缺陷的物理块。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于NAND FLASH的电子盘的运行控制方法，包括以下步骤：

S1：系统上电，BIOS搜索ROM扩展码，如果搜索到，进入步骤S2，否则，进入步骤S5；

S2：执行NAND FLASH芯片的启动信息代码；

S3：将INT13H的中断向量改为NAND FLASH芯片的中断向量；

S4：调用NAND FLASH芯片的INT13H的中断处理程序，对NAND FLASH芯片进行读写控制；

S5：结束。

在本发明基于NAND FLASH的电子盘的运行控制方法中，所述步骤S2包括：

S21：将NAND FLASH芯片的驱动代码搬移到与大小相配合的存储器执行空间；

S22：释放NAND FLASH芯片的映射空间。

在本发明基于NAND FLASH的电子盘的运行控制方法中，在所述步骤S3中还包括保存INT 13H的原中断向量。

在本发明基于NAND FLASH的电子盘的运行控制方法中，在所述步骤S4中的读写控制包括对NAND FLASH芯片进行ID识别、读操作、写操作、块管理、块检测和块删除。

实施本发明的基于NAND FLASH的电子盘及其运行控制方法，具有以下有益效果：在工业控制和军事领域应用中，能有效地防止机械振动、粉尘、温度变化等的影响，而且该电子盘采用简化的ISA接口，体积小，直接焊接到系统电路板，接触可靠，便于嵌入式工控的应用，由于该电子盘采用半导体制成，与普通硬盘相比其寿命大大提高，另外，将本发明的电子盘应用于工业计算机系统时，由于操作系统是固化在NAND FLASH芯片中，当有病毒入侵系统时，不能对操作系统进行任何修改，有效地防止了病毒的侵入。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明基于NAND FLASH的电子盘的电路原理框图；

图2是本发明基于NAND FLASH的电子盘的运行控制方法的流程图；

图3是本发明基于NAND FLASH的电子盘的映射电子的示意图。

具体实施方式

近年来，随着NANDFLASH闪存芯片技术的进步，NANDFLASH芯片的价格不断走低，单芯片容量目前可以做到4GB甚至更高；基于NANDFLASH的电子盘(DOC)由于其防振动、体积小、低功耗等固有的优点，在工业控制、移动多媒体等应用方面完全可以取代硬盘等存储媒体。本方案采用FPGA实现NANDFLASH控制器，配合BIOS扩展程序一起实现电子盘(DISK ON CHIP，DOC)的功能，取代硬盘完成各种计算机的启动、运行和数据存储处理功能。

如图1所示，在本发明的基于NAND FLASH的电子盘中，包括NAND FLASH芯片和FPGA控制器，其中，计算机操作系统固化在NAND FLASH芯片中，该FPGA控制器包括：ISA总线接口、扩展ROM、读写控制器；该读写控制器又包括、写操作模块、读操作模块、块删除模块、ID识别模块、错误控制模块和坏块管理模块；FPGA控制器在DOC系统中是底层的执行单元，它要实现的功能为接收/发送ISA总线数据、实现对NAND FLASH芯片的写操作、实现对NANDFLASH芯片的读操作、块删除操作、坏块识别、读NAND FLASH芯片的ID、对NAND FLASH芯片的复位。主机通过ISA总线访问电子盘，该电子盘采用FPGA芯片实现ISA总线接口、扩展ROM和读写控制器；ISA总线接口读写控制命令译码，扩展BIOS程序存储在扩展ROM内。

FPGA控制器的功能为a、DOC复位，由于ISA接口未提供复位信号，向命令寄存器写00H，复位读写控制器；b、NAND FLASH芯片复位，向命令寄存器写06H，复位NAND FLASH芯片；c、读NAND FLASH芯片的ID码，向命令寄存器写05H，读ID寄存器值；d、擦除NAND FLASH芯片的块，向命令寄存器写03H，向地址寄存器内写入NAND FLASH芯片的块地址，向地址结束码寄存器写入地址结束码，读状态寄存器，BIT6＝1时：BIT0＝0，擦除成功，BIT0＝1，擦除失败；e、读NANDFLASH芯片，向命令寄存器写02H或22H(用此命令读SLC芯片的备用区域数据)，向地址寄存器内写入NAND FLASH芯片的地址，向地址结束码寄存器写入地址结束码，读状态寄存器，BIT6＝1时，依次读出各个字节，读完数据后向读写数据结束寄存器发送读结束命令；f、写NAND FLASH芯片，向命令寄存器写01H，向地址寄存器内写入NAND的FLASH芯片的地址，向地址结束码寄存器写入地址结束码，向数据寄存器依次写入数据，写完数据向读写数据结束寄存器发送读结束命令，读状态寄存器，BIT6＝1时：BIT0＝0，写成功，BIT0＝1，写失败。另外，读写控制器的寄存器包括：命令寄存器(偏移地址：1FF0)：主机通过ISA总线写命令，用以控制DOC；地址寄存器(偏移地址：1FF1)：主机通过ISA总线写NAND FLASH芯片的地址；地址结束码寄存器(偏移地址：1FF2)：地址码发送完成码，SLC和MLC的NAND FLASH芯片有不同的结束码；数据寄存器(偏移地址：1FF4)：读写NAND FLASH芯片的数据；读写数据结束寄存器(偏移地址：1FF5)：完成数据读写；NAND FLASH芯片的状态寄存器(偏移地址：1FF6)：操作状态寄存器；ID寄存器1(偏移地址：1FF7)：厂家ID；ID寄存器2(偏移地址：1FF8)：器件ID；ID寄存器3(偏移地址：1FF9)：器件内部描述；ID寄存器4(偏移地址：1FFA)：器件内部描述。

ISA接口是NAND FLASH芯片与ISA总线间的桥梁，它负责获取来自ISA的数据与控制信号，并将数据及控制信号传给FPGA控制器的内部模块；同时也负责将来自FPGA控制器的内部的数据与状态信息送到ISA总线。其接口定义信号如下表1：

 

名称	方向	描述
			ADD_DOC(12 downto 0)	输入	DOC地址输入
Data_DOC(7 downto 0)	输入/输出	DOC的数据输入/输出
			WE_DOC	输入	DOC的写信号
OE_DOC	输入	DOC的读信号
			CE_DOC	输入	DOC的片选信号

                  表1

扩展ROM在上位机启动时工作，其中ROM一共有8K，BIOS在上位机启动时来读取这8K的数据，其信号如下表2：

 

名称	方向	描述
			Addr	输入	8KB扩展ROM地址输入
Clk	输入	32M时钟输入
			Dout	输出	扩展ROM数据输出

         表2

读写控制器是按照NAND FLASH芯片的控制时序，给外接的NAND FLASH芯片提供控制信号，并从NAND FLASH芯片获取状态信息，从而实现对NANDFLASH芯片的各项操作。读写控制器内部包括六个独立的子模块，它们分别为：a、写操作模块，该模块负责将PC传送来的数据写入NAND FLASH芯片中，并负责向上位机传回写操作状态。b、读操作模块，该模块负责从NAND FLASH芯片中读取数据，并向上位机传回读操作状态，将数据通过其它模块送给上位机。c、块删除操作模块，该模块负责将上位机指定的块地址内的存储单元内容全部删除掉，删除后块地址内所有存储单元内容均为“FF”。d、ID识别模块，该模块负责读取NAND FLASH芯片的ID号，以便判别NAND FLASH芯片的种类。e、错误控制模块，该模块用于发现和纠正NAND FLASH芯片中数据的比特错误。f、坏块管理模块，该模块用于实现NAND FLASH芯片内逻辑块和物理块间的有效映射，以便各逻辑块对应到无缺陷的物理块。读写控制器的信号如下表3：

 

名称	方向	描述
			write_operation_step	读/写	写NAND FLASH芯片的状态寄存器(步骤寄存器)
CE_n_write	读/写	写操作时NAND FLASH芯片的片选信号寄存器
			CLE_write	读/写	写操作时NAND FLASH芯片的命令锁存使能信号寄存器
ALE_write	读/写	写操作时NAND FLASH芯片的命令锁存使能信号寄存器
			WE_write	读/写	写操作时写NAND FLASH芯片的控制寄存器
RE_write	读/写	写操作时读NAND FLASH芯片的控制寄存器
			IO_CON_write	读/写	写操作时IO读/写控制寄存器
FStatus_write	输出	写操作时NAND FLASH芯片的状态寄存器
			IO_write	输出	写操作时读/写NAND FLASH芯片的端口寄存器

                            表3

该基于NAND FLASH的电子盘的运行控制方法，包括以下步骤：

S1：系统上电，BIOS搜索ROM扩展码，如果搜索到，进入步骤S2，否则，进入步骤S5；S2：执行NAND FLASH芯片的启动信息代码；S3：将INT13H的中断向量改为NAND FLASH芯片的中断向量；S4：调用NAND FLASH芯片的INT13H的中断处理程序，对NAND FLASH芯片进行读写控制；S5：结束。其中，步骤S2包括：S21：将NAND FLASH芯片的驱动代码搬移到与大小相配合的存储器执行空间；S22：释放NAND FLASH芯片的映射空间。在步骤S3中还包括保存INT 13H的原中断向量。在步骤S4中的读写控制包括对NAND FLASH芯片进行ID识别、读操作、写操作、块管理、块检测和块删除。

在具体工作中，根据BIOS的规范可知所有的扩展ROM只能放在C8000H～F0000H的区间内BIOS才能引导，扩展ROM有自己规范，即扩展ROM的前2个字节必须是0XAA55，然后是扩展ROM的长度，长度是以512个字节为单位，接着是ISA_FLASH驱动部分，这些部分总共加在一起的字节和要为0。电子盘作为机器的一个ISA设备，其驱动在BIOS程序看来就是一个扩展ROM，因此，计算机启动过程中将电子盘的驱动程序以只读方式自动导入PC内存，它在PC的扩展BIOS中安排了8kB的存储区域，其映射地址为OD8000H到OD9FFF的区域，其实现机制如图3所示。

计算机开机自检后，电子盘作为PC的BIOS标准操作的一部分，BIOS搜寻ROM扩展码，找到后BIOS执行相应的初始代码，此码将驱动程序首先搬移到内存的可用区域继续执行，并完成修改中断向量表等一系列操作，如图2。完成上述操作后电子盘将被标识为系统的一个磁盘，如磁盘A。

计算机启动后，BIOS首先进入地址OD8000H处搜寻ROM扩展码，判断是否存在0XAA55，若存在则读取驱动代码长度并继续执行；否则BIOS会自动到其他映射空间搜寻是否存在ROM扩展码。

待BIOS检测完ROM扩展码后，程序跳至显示电子盘启动信息代码处继续执行。由于电子盘8K的映射空间只能用做数据交换区，而不能用作应用程序的运行空间。接下来电子盘的驱动将执行一段驱动程序自我搬移的代码，将驱动代码由地址OD8000H处搬移到9E800H至0A0000H处，其中的起始地址9E800H并非固定值，只要保证其起始地址与0A0000H的空间大小等于代码长度即可。待程序代码搬移完毕后，修改IP寄存器和CS寄存器的值，跳转到驱动程序搬移后那段存储器空间继续执行，此时电子盘8K的映射空间便被释放出来用作数据交换区。HOOK_INT 13程序的作用是保存原INT 13H的中断向量并把INT 13H的中断向量更改为电子盘所用的中断向量，修改INT 13H中断向量的地址为0000H：004CH，此时INT 13H的中断便被电子盘所接管。此后每次调用INT 13H的中断都会进入电子盘的所建立的新中断服务程序中，在该中断服务程序里，首先对寄存器DL的值进行比较(与00H比较)，若该参数反映的是电子盘，则会进一步查找功能函数表，从而调用电子盘的INT13H的中断处理程序，其中包括对电子盘的ID识别、读操作、写操作、块管理、块检测、块删除等处理，待相应的操作处理完毕后便进行中断返回(IRET)；倘若寄存器DL的值反映的不是电子盘而是硬盘，则会将INT 13H中断向量恢复成电子盘接管INT 13H前的状态。HOOK_INT 13程序执行完毕后，接着就要修改常规内存容量，其修改地址是0000H：0413H，在该地址的内容里减去驱动的大小，以1024个字节为单位。应用程序每次调用INT 13H中断服务程序后便会判断是否调用成功，若成功则会正常返回(RETF)，否则需要进行错误处理。

通过实际测试，使用本电子盘的读写误码率小于10E-10，使用ECC纠错算法误码率小于10E-12。另外，通过PCI-ISA桥和DOC结合将DOC可以设计为PCI插卡方式。

本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (7)

1.一种基于NAND FLASH的电子盘，其特征在于，包括NAND FLASH芯片和FPGA控制器，其中，所述FPGA控制器包括：ISA总线接口，用于读取ISA总线发送的数据和控制信号，同时向ISA总线发送NAND FLASH芯片的数据和状态信息；扩展ROM，用于存储扩展的BIOS数据；读写控制器，用于根据NAND FLASH芯片的控制时序，向NAND FLASH芯片提供控制信号，并读取NAND FLASH芯片的状态信息；所述FPGA控制器用于实现ISA总线与NAND FLASH芯片之间的数据交换，以及ISA总线对NANDFLASH芯片的读写控制；计算机操作系统固化在NAND FLASH芯片中。

2.根据权利要求1所述的基于NAND FLASH的电子盘，其特征在于，所述读写控制器包括：

写操作模块，用于将ISA总线发送的数据写入NAND FLASH芯片，并反馈写操作状态；

读操作模块，用于读取NAND FLASH芯片发送的数据，并反馈读操作状态；

块删除模块，用于根据ISA总线发送的控制信号，删除NAND FLASH芯片中相应的块地址内的存储单元；

ID识别模块，用于读取NAND FLASH芯片的ID号。

3.根据权利要求2所述的基于NAND FLASH的电子盘，其特征在于，所述读写控制器还包括错误控制模块，用于发现和纠正NAND FLASH芯片中数据的比特错误。

4.根据权利要求3所述的基于NAND FLASH的电子盘，其特征在于，所述读写控制器还包括坏块管理模块，用于实现NAND FLASH芯片内逻辑块和物理块间的有效映射，以便各逻辑块对应到无缺陷的物理块。

5.一种针对权利要求4所述的基于NAND FLASH的电子盘的运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：系统上电，BIOS搜索ROM扩展码，如果搜索到，进入步骤S2，否则，进入步骤S5；

S2：执行NAND FLASH芯片的启动信息代码，将NAND FLASH芯片的驱动代码搬移到与其驱动代码大小相配合的存储器执行空间，释放NANDFLASH芯片的映射空间；

S3：将INT 13H的中断向量改为NAND FLASH芯片的中断向量；

S4：调用NAND FLASH芯片的INT 13H的中断处理程序，对NAND FLASH芯片进行读写控制；

S5：结束。

6.根据权利要求5所述的运行控制方法，其特征在于，在所述步骤S3中还包括保存INT 13H的原中断向量。

7.根据权利要求5所述的运行控制方法，其特征在于，在所述步骤S4中的读写控制包括对NAND FLASH芯片进行ID识别、读操作、写操作、块管理、块检测和块删除。

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