王續(xù)朝

（北京自動測試技術研究所，北京 100088）

0 引言

隨著當前移動存儲技術的快速發(fā)展和移動存儲市場的高速擴大，F(xiàn)lash型存儲器的用量迅速增長。Flash芯片由于其便攜、可靠、成本低等優(yōu)點，在移動產(chǎn)品中非常適用。市場的需求催生了一大批Flash芯片研發(fā)、生產(chǎn)、應用企業(yè)。為保證芯片長期可靠的工作，這些企業(yè)需要在產(chǎn)品出廠前對Flash存儲器進行高速和細致地測試，因此，高效Flash存儲器測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存儲器芯片的讀寫流程和時序。

1 Nand-Flash存儲器的工作原理

1.1 Nand-Flash存儲器的組成結構及指令集

K9F2G08R0A的容量為256M×8 Bit，存儲空間按128K個頁(行)、每頁中2K+64個字節(jié)(列)的組成方式構成，備用的64列。K9F2G08R0A還將存儲空間分為塊(block)，每1塊由64個頁構成。因此K9F2G08R0A中一共有2,048個塊。這種“塊-頁”結構，恰好能滿足文件系統(tǒng)中劃分簇和扇區(qū)的結構要求。K9F2G08R0A的內部結構如圖1所示。

圖1 K9F2G08R0A的內部結構

K9F2G08R0A的讀和寫都以頁為單位，擦除則以塊為單位進行操作。

K9F2G08R0A的地址通過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的情況下升級為高容量存儲器件。

K9F2G08R0A通過CLE和ALE信號線實現(xiàn)I/O口上指令和地址的復用。指令、地址和數(shù)據(jù)都通過拉低WE和CE從I/O口寫入器件中。有一些指令只需要一個總線周期完成，例如，復位指令、讀指令和狀態(tài)讀指令等;另外一些指令，例如頁寫入和塊擦除，則需要2個周期，其中一個周期用來啟動，而另一個周期用來執(zhí)行。

1.2 Nand-Flash操作

1.2.1 頁讀操作

在初始上電時，器件進入缺省的“讀方式1模式”。在這一模式下，頁讀操作通過將00h指令寫入指令寄存器，接著寫入5個地址(2個列地址，3個行地址)來啟動。一旦頁讀指令被器件鎖存，下面的頁讀操作就不需要再重復寫入指令了。

寫入指令和地址后，處理器可以通過對信號線R/B的分析來判斷該操作是否完成。如果信號為低電平，表示器件正“忙”；為高電平，說明器件內部操作完成，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脈沖信號的控制下，從I/O口依次讀出數(shù)據(jù)。連續(xù)頁讀操作中，輸出的數(shù)據(jù)是從指定的列地址開始，直到該頁的最后一個列地址的數(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 頁寫操作

K9F2G08R0A的寫入操作也以頁為單位。寫入必須在擦除之后，否則寫入將出錯。

頁寫入周期總共包括3個步驟：寫入串行數(shù)據(jù)輸入指令(80h)，然后寫入5個字節(jié)的地址信息，最后串行寫入數(shù)據(jù)。串行寫入的數(shù)據(jù)最多為2K+64字節(jié)，它們首先被寫入器件內的頁寄存器，接著器件進入一個內部寫入過程，將數(shù)據(jù)從頁寄存器寫入存儲宏單元。

串行數(shù)據(jù)寫入完成后，需要寫入“頁寫入確認”指令10h，這條指令將初始化器件的內部寫入操作。如果單獨寫入10h而沒有前面的步驟，則10h不起作用。10h寫入之后，K9F2G08R0A的內部寫控制器將自動執(zhí)行內部寫入和校驗中必要的算法和時序，這時系統(tǒng)控制器就可以去做別的事了。

內部寫入操作開始后，器件自動進入“讀狀態(tài)寄存器”模式。在這一模式下，當RE和CE為低電平時，系統(tǒng)可以讀取狀態(tài)寄存器?？梢酝ㄟ^檢測R/B的輸出，或讀狀態(tài)寄存器的狀態(tài)位(I/O 6)來判斷內部寫入是否結束。在器件進行內部寫入操作時，只有讀狀態(tài)寄存器指令和復位指令會被響應。當頁寫入操作完成，應該檢測寫狀態(tài)位(I/O 0)的電平。

內部寫校驗只對沒有成功地寫為0的情況進行檢測。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入指令寄存器為止。如圖3 寫指令流程圖所示。

圖3 寫指令流程圖

1.2.3 塊擦除

擦除操作是以塊為單位進行的。擦除的啟動指令為60h，塊地址的輸入通過兩個時鐘周期完成。塊地址載入之后執(zhí)行擦除確認指令D0h，它用來初始化內部擦除操作。擦除確認命令還用來防止外部干擾產(chǎn)生擦除操作的意外情況。器件檢測到擦除確認命令輸入后，在WE的上升沿啟動內部寫控制器開始執(zhí)行擦除和擦除校驗。內部擦除操作完成后，檢測寫狀態(tài)位(I/O 0)，從而了解擦除操作是否有錯誤發(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包含一個狀態(tài)寄存器，該寄存器反應了寫入或擦除操作是否完成，或寫入和擦除操作是否無錯。寫入70h指令，啟動讀狀態(tài)寄存器周期。狀態(tài)寄存器的內容將在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)頁讀的過程中，必須重發(fā)00h或50h指令。

1.2.5 讀器件ID

K9F2G08R0A器件具有一個產(chǎn)品鑒定識別碼(ID)，系統(tǒng)控制器可以讀出這個ID，從而起到識別器件的作用。讀ID的步驟是：寫入90h指令，然后寫入一個地址00h。在兩個讀周期下，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 復位

器件提供一個復位(RESET)指令，通過向指令寄存器寫入FFh來完成對器件的復位。當器件處于任意讀模式、寫入或擦除模式的忙狀態(tài)時，發(fā)送復位指令可以使器件中止當前的操作，正在被修改的存儲器宏單元的內容不再有效，指令寄存器被清零并等待下一條指令的到來。當WP為高時，狀態(tài)寄存器被清為C0h。

2 BC3196H存儲器圖形

2.1 系統(tǒng)圖形指令

INC：執(zhí)行當前行圖形，然后轉到下一行

LDC,n：加載循環(huán)計數(shù)器，該行為循環(huán)起始行。同時執(zhí)行當前行圖形，之后轉到下一行圖形。循環(huán)次數(shù)為n。

LOOP：循環(huán)語句。執(zhí)行當前行圖形后，開始循環(huán)LDC到LOOP語句之間的圖形n次。循環(huán)滿后轉到下一行圖形。

RPT,n：重復執(zhí)行當前行圖形n次，然后跳轉到下一行圖形。RPT,1執(zhí)行當前圖形2次，即重復一次。

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， 可同時裝載

A++ B++ ： A 、B 寄存器加 1

A-- B-- ： A、B 寄存器減 1

A B ：無操作

A:X ：A 寄存器裝載 X 地址

2.3 寫指令

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 實驗結果

根據(jù)上述思想，我們在國產(chǎn)BC3196H的測試系統(tǒng)平臺上，對K9F2G08R0A進行了測試并通過對數(shù)字系統(tǒng)算法圖形功能進行改善，算法圖形發(fā)生器由多個算術邏輯單元、多路選擇器以及操作寄存器組成，可以實現(xiàn)復雜的邏輯操作和算術運算，在原有的X地址、Y地址復用的基礎上，增加為X地址、Y地址、D數(shù)據(jù)的復用，可以更快、更簡便的對地址復用型Flash存儲器進行測試，減少測試程序開發(fā)難度。

4 結論

本文主要討論了Nand-Flash存儲器芯片的工作原理，較好地解決了Flash存儲器測試的困難。通過對復用型Flash算法圖形功能的改善，可以實現(xiàn)復雜的邏輯操作和算術運算，更快捷的對存儲器進行測試，提高了Flash存儲器芯片的測試開發(fā)周期，提高了測試效率。在大容量的存儲器測試的時候，測試時間還有待提高，希望在以后能夠研究出更快速更簡潔的算法圖形發(fā)生器及算法，進一步提高整個Flash存儲器芯片的測試效率。

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