闪存在嵌入式Linux系统中的应用

0 引言

Linux系统自诞生以来，不断发展壮大，支持越来越多的硬件体系，获得了日益广泛的应用，从服务器、桌面计算，到机顶盒、手机、路由器等，可以说无处不在。虽然都是Linux系统，但是嵌入式环境和通用计算环境中的软件／硬件配置大不相同。这是因为嵌入式系统大多都是为某一专门应用而特别设计的，有可能需要耐受各种恶劣环境(比如意外断电、极端温度、强冲击／振动／辐射等)，还受到体积、功耗、成本等诸多因素的限制，功能针对性强，需要酌情增加一些专用的硬件(如各种传感器和专用接口)，而许多通用计算机上常用的外设在嵌入式系统中不那么常见，典型的例子是硬盘、CD／DVD-ROM等大容量的非易失存储设备，在嵌入式系统中，它们通常被各种形式的闪存所取代。闪存的存储特性与硬盘等存储设备的巨大差异，导致它必须使用专用存储控制器、驱动程序及文件系统。对不同类型闪存及相应文件系统的选用，会影响最终形成系统的性能和稳定性，必须综合各种系统构件的特点及目标系统的需求做出慎重的抉择。

1 闪存类型及特性

嵌入式系统中常用的闪存有两类：NORFLASH和NANDFLASH。它们因内部结构与“或非”及“与非”门相似而得名。它们不仅在内部结构上不同，外部特性和应用也不一样。NORFLASH的容量通常不大，常见的只有几MB，可以重复擦写10万次到100万次。NORFLASH遵循CFI标准，可以通过CFI命令查询其制造商、器件型号、容量、内部扇区布局等参数，实现软件自动配置。NORFLASH的优势还在于它在出厂时能保证每个数据位都是有效的，不需要做坏块处理。NORFLASH的线性寻址特性使之可以作为启动存储器使用。与NORFLASH相比，NANDFLASH的容量可以做得很大，常见的有几十MB到几GB，可以重复擦写10万次。NANDFLASH芯片上没有地址与数据线之分，只有复用的I／O线和命令锁存(CLE)、地址

锁存(ALE)、读／写使能(RE，WE)和片选(CE)等控制线，必须通过特定的逻辑来操作。NANDFLASH不支持线性寻址，一般不能用作启动ROM。但这也不是绝对的。有些微控制器(如AT91SAM926x)提供出厂前固化在芯片内部的BOOT-ROM，并在BOOT-ROM中提供对NANDFLASH启动的支持。不过这样一来，首先启动的是BOOT-ROM中的程序，会产生启动逻辑和延时方面的种种问题，设计时需要全面考虑。另外，生产厂商不保证NAND-FLASH中每一个数据位都是有效的，除芯片中的第一块之外，允许有“初始坏块”，并约定在坏块的第一页或第二页带外区(OOB)的特定位置标记坏块。NANDFLASH还允许在使用过程中出现新的坏块，以及非坏块在读出过程中出错。基于这些特点，使用这种闪存时要做额外的坏块管理和校验／纠错工作。在写入密集型系统中，必须提供ECC及坏块换出算法，才能达到10万次的写入指标。

除了以上提到的两种闪存之外，还有一种由NORFLASH衍生的串行闪存，通常是SPI接口。这种闪存继承了NORFLASH没有坏块的优点，但不支持CFI标准，并且由于是串行接口，线性寻址没有意义，为了方便操作，有些产品中加入了类似NANDFLASH的块／页结构及基于片内SRAM的页缓存，其优势在于硬件接口简单，提供小尺寸的封装，可以显著减小PCB面积和布线复杂程度。

另外，基于NANDFLASH技术的串行闪存已经量产，使用的也是SPI接口，容量可以做到1Gb。

2 应用设计

目标应用系统是一台专用的户外显示设备，要求其具有低功耗、抗振、宽温操作及高可靠性等特点。为此，选择了AT91SAM9261／AT91-SAM9G10，它是以ARM9为核心的集成片上液晶控制器的工业级微控制器，以DATA FLASH／NORFLASH和NANDFLASH存储固件代码和数据。在设计过程中，根据不同的闪存使用需求，采取了具有针对性的方案。

2．1 启动设计

在该系统中，结合微控制器提供的功能和各种闪存的特点，可以综合使用不同类型的闪存，选择不同的启动方式。AT91SAM9261内部集成了启动ROM，其中固化了支持启动和操作闪存的程序。流程图如图1所示。当AT91SAM9261的启动模式选择(BMS)引脚在复位期间为高电平时，会运行内部固化的启动程序；否则运行外部NORFLASH中的程序。从流程图中可以看出，启动程序支持从串行闪存中启动。这是通过启动程序将串行闪存中的代码加载到内部SRAM中实现的。由于内部SRAM容量有限(依芯片型号不同，有16 KB和160 KB两种)，像U-BOOt(编译后有170KB左右，与配置有关)这样的功能，若较全面地启动加载程序(Bootloader)是不能直接从串行闪存中启动的，而只能选择两级启动程序，先从串行闪存中加载一段尽可能小的一级启动程序(通常只有4～5 KB)．用于初始化关键的硬件(如SDRAM控制