王續(xù)朝

（北京自動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100088）

0 引言

隨著當(dāng)前移動(dòng)存儲(chǔ)技術(shù)的快速發(fā)展和移動(dòng)存儲(chǔ)市場(chǎng)的高速擴(kuò)大，F(xiàn)lash型存儲(chǔ)器的用量迅速增長(zhǎng)。Flash芯片由于其便攜、可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)產(chǎn)品中非常適用。市場(chǎng)的需求催生了一大批Flash芯片研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用企業(yè)。為保證芯片長(zhǎng)期可靠的工作，這些企業(yè)需要在產(chǎn)品出廠前對(duì)Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行高速和細(xì)致地測(cè)試，因此，高效Flash存儲(chǔ)器測(cè)試算法的研究就顯得十分必要。

本文以三星公司的K9F2G08R0A芯片為例，介紹Nand-flash存儲(chǔ)器芯片的讀寫(xiě)流程和時(shí)序。

1 Nand-Flash存儲(chǔ)器的工作原理

1.1 Nand-Flash存儲(chǔ)器的組成結(jié)構(gòu)及指令集

K9F2G08R0A的容量為256M×8 Bit，存儲(chǔ)空間按128K個(gè)頁(yè)(行)、每頁(yè)中2K+64個(gè)字節(jié)(列)的組成方式構(gòu)成，備用的64列。K9F2G08R0A還將存儲(chǔ)空間分為塊(block)，每1塊由64個(gè)頁(yè)構(gòu)成。因此K9F2G08R0A中一共有2,048個(gè)塊。這種“塊-頁(yè)”結(jié)構(gòu)，恰好能滿足文件系統(tǒng)中劃分簇和扇區(qū)的結(jié)構(gòu)要求。K9F2G08R0A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 K9F2G08R0A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

K9F2G08R0A的讀和寫(xiě)都以頁(yè)為單位，擦除則以塊為單位進(jìn)行操作。

K9F2G08R0A的地址通過(guò)8位端口傳送，有效地節(jié)省了引腳的數(shù)量，并能夠保持不同密度器件引腳的一致性，系統(tǒng)可以在電路不作改動(dòng)的情況下升級(jí)為高容量存儲(chǔ)器件。

K9F2G08R0A通過(guò)CLE和ALE信號(hào)線實(shí)現(xiàn)I/O口上指令和地址的復(fù)用。指令、地址和數(shù)據(jù)都通過(guò)拉低WE和CE從I/O口寫(xiě)入器件中。有一些指令只需要一個(gè)總線周期完成，例如，復(fù)位指令、讀指令和狀態(tài)讀指令等;另外一些指令，例如頁(yè)寫(xiě)入和塊擦除，則需要2個(gè)周期，其中一個(gè)周期用來(lái)啟動(dòng)，而另一個(gè)周期用來(lái)執(zhí)行。

1.2 Nand-Flash操作

1.2.1 頁(yè)讀操作

在初始上電時(shí)，器件進(jìn)入缺省的“讀方式1模式”。在這一模式下，頁(yè)讀操作通過(guò)將00h指令寫(xiě)入指令寄存器，接著寫(xiě)入5個(gè)地址(2個(gè)列地址，3個(gè)行地址)來(lái)啟動(dòng)。一旦頁(yè)讀指令被器件鎖存，下面的頁(yè)讀操作就不需要再重復(fù)寫(xiě)入指令了。

寫(xiě)入指令和地址后，處理器可以通過(guò)對(duì)信號(hào)線R/B的分析來(lái)判斷該操作是否完成。如果信號(hào)為低電平，表示器件正“忙”；為高電平，說(shuō)明器件內(nèi)部操作完成，要讀取的數(shù)據(jù)被送入了數(shù)據(jù)寄存器。外部控制器可以在以50ns為周期的連續(xù)RE脈沖信號(hào)的控制下，從I/O口依次讀出數(shù)據(jù)。連續(xù)頁(yè)讀操作中，輸出的數(shù)據(jù)是從指定的列地址開(kāi)始，直到該頁(yè)的最后一個(gè)列地址的數(shù)據(jù)為止。如圖2讀指令流程圖所示。

圖2 讀指令流程圖

1.2.2 頁(yè)寫(xiě)操作

K9F2G08R0A的寫(xiě)入操作也以頁(yè)為單位。寫(xiě)入必須在擦除之后，否則寫(xiě)入將出錯(cuò)。

頁(yè)寫(xiě)入周期總共包括3個(gè)步驟：寫(xiě)入串行數(shù)據(jù)輸入指令(80h)，然后寫(xiě)入5個(gè)字節(jié)的地址信息，最后串行寫(xiě)入數(shù)據(jù)。串行寫(xiě)入的數(shù)據(jù)最多為2K+64字節(jié)，它們首先被寫(xiě)入器件內(nèi)的頁(yè)寄存器，接著器件進(jìn)入一個(gè)內(nèi)部寫(xiě)入過(guò)程，將數(shù)據(jù)從頁(yè)寄存器寫(xiě)入存儲(chǔ)宏單元。

串行數(shù)據(jù)寫(xiě)入完成后，需要寫(xiě)入“頁(yè)寫(xiě)入確認(rèn)”指令10h，這條指令將初始化器件的內(nèi)部寫(xiě)入操作。如果單獨(dú)寫(xiě)入10h而沒(méi)有前面的步驟，則10h不起作用。10h寫(xiě)入之后，K9F2G08R0A的內(nèi)部寫(xiě)控制器將自動(dòng)執(zhí)行內(nèi)部寫(xiě)入和校驗(yàn)中必要的算法和時(shí)序，這時(shí)系統(tǒng)控制器就可以去做別的事了。

內(nèi)部寫(xiě)入操作開(kāi)始后，器件自動(dòng)進(jìn)入“讀狀態(tài)寄存器”模式。在這一模式下，當(dāng)RE和CE為低電平時(shí)，系統(tǒng)可以讀取狀態(tài)寄存器?？梢酝ㄟ^(guò)檢測(cè)R/B的輸出，或讀狀態(tài)寄存器的狀態(tài)位(I/O 6)來(lái)判斷內(nèi)部寫(xiě)入是否結(jié)束。在器件進(jìn)行內(nèi)部寫(xiě)入操作時(shí)，只有讀狀態(tài)寄存器指令和復(fù)位指令會(huì)被響應(yīng)。當(dāng)頁(yè)寫(xiě)入操作完成，應(yīng)該檢測(cè)寫(xiě)狀態(tài)位(I/O 0)的電平。

內(nèi)部寫(xiě)校驗(yàn)只對(duì)沒(méi)有成功地寫(xiě)為0的情況進(jìn)行檢測(cè)。指令寄存器始終保持著讀狀態(tài)寄存器模式，直到其他有效的指令寫(xiě)入指令寄存器為止。如圖3 寫(xiě)指令流程圖所示。

圖3 寫(xiě)指令流程圖

1.2.3 塊擦除

擦除操作是以塊為單位進(jìn)行的。擦除的啟動(dòng)指令為60h，塊地址的輸入通過(guò)兩個(gè)時(shí)鐘周期完成。塊地址載入之后執(zhí)行擦除確認(rèn)指令D0h，它用來(lái)初始化內(nèi)部擦除操作。擦除確認(rèn)命令還用來(lái)防止外部干擾產(chǎn)生擦除操作的意外情況。器件檢測(cè)到擦除確認(rèn)命令輸入后，在WE的上升沿啟動(dòng)內(nèi)部寫(xiě)控制器開(kāi)始執(zhí)行擦除和擦除校驗(yàn)。內(nèi)部擦除操作完成后，檢測(cè)寫(xiě)狀態(tài)位(I/O 0)，從而了解擦除操作是否有錯(cuò)誤發(fā)生。如圖4擦除指令流程圖所示。

圖4 擦除令流程圖

1.2.4 讀狀態(tài)寄存器

K9F2G08R0A包含一個(gè)狀態(tài)寄存器，該寄存器反應(yīng)了寫(xiě)入或擦除操作是否完成，或?qū)懭牒筒脸僮魇欠駸o(wú)錯(cuò)。寫(xiě)入70h指令，啟動(dòng)讀狀態(tài)寄存器周期。狀態(tài)寄存器的內(nèi)容將在CE或RE的下降沿處送出至I/O端口。

器件一旦接收到讀狀態(tài)寄存器的指令，它就將保持狀態(tài)寄存器在讀狀態(tài)，直到有其他的指令輸入。因此，如果在任意讀操作中采用了狀態(tài)寄存器瀆操作，則在連續(xù)頁(yè)讀的過(guò)程中，必須重發(fā)00h或50h指令。

1.2.5 讀器件ID

K9F2G08R0A器件具有一個(gè)產(chǎn)品鑒定識(shí)別碼(ID)，系統(tǒng)控制器可以讀出這個(gè)ID，從而起到識(shí)別器件的作用。讀ID的步驟是：寫(xiě)入90h指令，然后寫(xiě)入一個(gè)地址00h。在兩個(gè)讀周期下，廠商代碼和器件代碼將被連續(xù)輸出至I/O口。

同樣，一旦進(jìn)入這種命令模式，器件將保持這種命令狀態(tài)，直到接收到其他的指令為止。

1.2.6 復(fù)位

器件提供一個(gè)復(fù)位(RESET)指令，通過(guò)向指令寄存器寫(xiě)入FFh來(lái)完成對(duì)器件的復(fù)位。當(dāng)器件處于任意讀模式、寫(xiě)入或擦除模式的忙狀態(tài)時(shí)，發(fā)送復(fù)位指令可以使器件中止當(dāng)前的操作，正在被修改的存儲(chǔ)器宏單元的內(nèi)容不再有效，指令寄存器被清零并等待下一條指令的到來(lái)。當(dāng)WP為高時(shí)，狀態(tài)寄存器被清為C0h。

2 BC3196H存儲(chǔ)器圖形

2.1 系統(tǒng)圖形指令

INC：執(zhí)行當(dāng)前行圖形，然后轉(zhuǎn)到下一行

LDC,n：加載循環(huán)計(jì)數(shù)器，該行為循環(huán)起始行。同時(shí)執(zhí)行當(dāng)前行圖形，之后轉(zhuǎn)到下一行圖形。循環(huán)次數(shù)為n。

LOOP：循環(huán)語(yǔ)句。執(zhí)行當(dāng)前行圖形后，開(kāi)始循環(huán)LDC到LOOP語(yǔ)句之間的圖形n次。循環(huán)滿后轉(zhuǎn)到下一行圖形。

RPT,n：重復(fù)執(zhí)行當(dāng)前行圖形n次，然后跳轉(zhuǎn)到下一行圖形。RPT,1執(zhí)行當(dāng)前圖形2次，即重復(fù)一次。

HALT ：停止命令。

2.2 XY地址AB寄存器算法指令

A:＜16 位數(shù) ＞ B:＜16 位數(shù) ＞ ：裝 載 Load， 可同時(shí)裝載

A++ B++ ： A 、B 寄存器加 1

A-- B-- ： A、B 寄存器減 1

A B ：無(wú)操作

A:X ：A 寄存器裝載 X 地址

2.3 寫(xiě)指令

指令 算法圖形 WP CE1 CE2 WE RE CLE ALE R/B1 R/B2 IO

INC,

WRITED,X=A,A:0;Y=A;D=Z; 1 1 1 1 1 0 0 X X XXXXXXXX //Page Write(BOCK1)

LDC,63, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 0 1 1 0 X Z 10000000 //80h_(SerialData Input)

INC, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 0 1 0 1 Z Z 00000000 //Col Addr1

INC, WRITED,X=A;Y=A;D=A; 1 0 1 0 1 0 1 Z Z 00000000 //Col Addr2

INC, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 0 1 0 1 Z X ZZZZZZZZ //Raw Addr3

INC, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 0 1 0 1 X Z 00000000 //Raw Addr4

INC, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 0 1 0 1 Z X 00000000 //Raw Addr5

INC, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 1 1 0 0 Z Z XZZXZXZX

RPT,2111, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 0 1 0 0 Z X 01010101 //Write 55

INC, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 0 1 1 0 X Z 00010000 //10h_(Program Command)

INC, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 1 1 1 0 X Z XXXXXXXX

RPT,500, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 1 1 1 0 L Z XXXXXXXX //tPROG

RPT,7000, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 1 1 1 0 X Z ZZZZZZZZ //tPROG

INC, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 0 1 1 0 Z Z 01110000 //70h_(Read State Command)

INC, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 1 0 0 0 Z X XXXXXXXL //I/O0=0

INC, WRITED,X=A,A++;Y=A;D=Z; 1 1 1 1 1 0 0 Z Z XXXXXXXX

LOOP, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 1 1 1 1 0 0 Z Z XXXXXXXX

HALT, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 1 1 1 1 0 0 Z Z XXXXXXXX //---------------

2.4 讀指令

指令 算法圖形 WP CE1 CE2 WE RE CLE ALE R/B1 R/B2 IO

INC, WRITED,X=A,A:0;Y=A;D=Z; 1 1 1 1 1 0 0 X X XXXXXXXX //Page Read

LDC,63, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 0 1 1 0 Z X 00000000 //00H_(Read Addr)

INC, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 0 1 0 1 X X 00000000 //Col Addr1

INC, WRITED,X=A;Y=A;D=A; 1 0 1 0 1 0 1 X X 00000000 //Col Addr2

INC, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 0 1 0 1 X X ZZZZZZZZ //Raw Addr3

INC, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 0 1 0 1 X X 00000000 //Raw Addr4

INC, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 0 1 0 1 X X 00000000 //Raw Addr5

INC, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 0 1 1 0 Z X 00110000 //30H_(Read Command)

INC, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 1 1 0 0 X X ZXXXXXXX

RPT,50, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 1 1 0 0 L Z ZXXXXXXX //tR

RPT,200, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 1 1 0 0 Z X XXXXXXXX //tR

INC, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 1 1 0 0 Z X XXXXXXXX

RPT,2111, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 1 0 0 0 Z X LHLHLHLH //Read 55

INC, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 0 1 1 1 0 0 Z X ZXXXXXXX

INC, WRITED,X=A,A++;Y=A;D=Z; 1 1 1 1 1 0 0 X X ZZZZZZZZ

LOOP, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; 1 1 1 1 1 0 0 X X ZZZZZZZZ

HALT, WRITED,X=A;Y=A;D=Z; Z Z Z Z Z Z Z X X XXXXXXXX //---------------

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述思想，我們?cè)趪?guó)產(chǎn)BC3196H的測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)上，對(duì)K9F2G08R0A進(jìn)行了測(cè)試并通過(guò)對(duì)數(shù)字系統(tǒng)算法圖形功能進(jìn)行改善，算法圖形發(fā)生器由多個(gè)算術(shù)邏輯單元、多路選擇器以及操作寄存器組成，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯操作和算術(shù)運(yùn)算，在原有的X地址、Y地址復(fù)用的基礎(chǔ)上，增加為X地址、Y地址、D數(shù)據(jù)的復(fù)用，可以更快、更簡(jiǎn)便的對(duì)地址復(fù)用型Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行測(cè)試，減少測(cè)試程序開(kāi)發(fā)難度。

4 結(jié)論

本文主要討論了Nand-Flash存儲(chǔ)器芯片的工作原理，較好地解決了Flash存儲(chǔ)器測(cè)試的困難。通過(guò)對(duì)復(fù)用型Flash算法圖形功能的改善，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯操作和算術(shù)運(yùn)算，更快捷的對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行測(cè)試，提高了Flash存儲(chǔ)器芯片的測(cè)試開(kāi)發(fā)周期，提高了測(cè)試效率。在大容量的存儲(chǔ)器測(cè)試的時(shí)候，測(cè)試時(shí)間還有待提高，希望在以后能夠研究出更快速更簡(jiǎn)潔的算法圖形發(fā)生器及算法，進(jìn)一步提高整個(gè)Flash存儲(chǔ)器芯片的測(cè)試效率。

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