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芯邦闪存盘控制芯片CBM2080/1180及其二次开发

上网日期: 2005年11月23日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:闪存盘? USB? Flash? 闪存盘控制芯片?

传统闪存盘单一的功能和大同小异的外观已经不能满足消费者日益增长的需求,如何创新成为闪存盘厂商急需解决的难题。本文通过对这些挑战形成进行了分析,提出了相应的对策,着重阐述了基于CBM2080/1180 USB主控芯片的闪存盘产品的二次开发应用。

图1:CBM2080芯片的内部结构框图。

闪存盘刚刚上市就以兼容性好、小巧、安全、高速、大容量等众多特点,快速赢得消费者的认可,然而,由于闪盘的半导体存储芯片和控制芯片单一的结构直接导致闪存盘产品存在技术含量有限的先天性不足。在闪存盘市场的发展历程中,很多初期涉足闪存盘领域的厂商已经充分体验了由于核心技术门槛不高而被越来越多厂商效仿和赶超的无奈,产品利润从前两年200%~300%,降到现在的20%~10%左右。

但是利润的下降,并不意味着闪存盘的发展空间达到上限,从市场的反应和闪存盘应用领域来看,市场远远没有达到饱和。移动存储的发展被行业人士普遍看好,以闪盘为例,Intel已在2002年初宣布将在未来的主板芯片组中彻底停止对软驱的支持,联想等国际厂商也已推出标配USB闪存盘的电脑,闪存盘取代软驱已成大势所趋;随着闪存盘更多的介入个人消费领域,传统存盘单一的功能和大同小异的外观已经不能满足消费者日益增长的需求,这使得用户要求更多类型的产品被开发出来。由此看来,闪存盘的发展正面临着新的发展契机。

闪存盘厂商该如何迎接上述挑战和把握新的契机?本文通过具体讨论基于深圳芯邦微电子有限公司CBM2080型USB2.0和CBM1180型USB1.1主控芯片二次开发应用,来阐述利用创新来解决这些问题的途径。

CBM2080/1180功能概述

CBM2080是芯邦最新推出的自主设计控制芯片,采用32位专用处理器、0.18um工艺,支持NAND、AG-AND、MLC和NOR等闪存,USB2.0/USB1.1芯片管脚对管脚兼容,BOM和软件相同,USB2.0工作电流<50mA。芯片的内部结构框图如图1所示。

CBM2080/1180的主要特色如下:

图3:CBM2080/1180软件层次的划分。

1.以软件配置实现对各种闪存支持

在整个闪存盘成本构成中,闪存占据了绝大部分,为了降低成本、获取更大的竞争优势,闪存盘制造厂商需要更大的闪存选择空间。CBM2080/CBM1180闪存控制芯片目前已能支持各主流厂商的不同型号NAND、MLC NAND、AG-AND和NOR闪存,且闪存容量不受限制,拓展了闪存盘制造厂商对闪存的选择空间。

同时,无线和消费应用市场的迅速增长,吸引了Hynix、意法半导体、英飞凌等DRAM厂商纷纷进入闪存领域,各种闪存不断推陈出新。为了能对新推出的闪存进行及时和有效的支持,芯邦还开发了独特的闪存兼容配置功能,即通过软件升级方式迅速实现对各种最新闪存的支持,闪存盘制造厂商只须从芯邦公司网站下载相关软件(如量产程序软件)进行生产即可,而不需要对控制芯片本身进行硬件上的更新换代。

一般的控制芯片本身进行硬件或ROM固件更新换代就需要数月的时间,而芯邦通过采用该项独有技术将该时间压缩到仅需数天甚至几小时,不仅打破了传统型“反馈-重新设计-重新制造-重新采用”的高成本和低效率模式,更重要的是,闪存盘制造商能够迅速地实现对具有高性价比的新闪存的支持,降低了材料成本,同时由于USB1.1和USB2.0管脚对管脚兼容,减少了库存风险和重复工程开发费用。

图4:带指纹识别功能的闪存盘硬件组成框图。

2.超强ECC纠错能力,对性能偏差的特殊闪存也能支持

与存取速度同等重要的是闪存存储数据的可靠性。闪存本身的电特性决定了其存储位单元读写时可能会发生错误,尤其是采用了MLC NAND、AG-AND闪存时该现象更加明显。为此,各种闪存对纠错能力都有最低要求,如SLC NAND、MLC NAND、AG-AND闪存的最低要求分别是1比特、4比特和3比特。而CBM2080的纠错能力远远超过上述要求,达到每528个字节可纠正任意3个字节(24比特)的数据错误,兼之以强大的坏块管理功能,不但更加可靠地保证了对各种闪存的兼容,即使对一些要求纠错位更多的特殊闪存也能支持。此外,CBM2080的ECC纠错是以硬件方式实现实时纠错,闪存存取速度不受影响。而采用软件纠错算法,由于算法的复杂性,会大大降低闪存存取速度。

3.硬件+软件双重数据安全防护技术

闪存在进行读写操作时由于异常的插拔或断电会破坏数据完整性,在这种状况下,如何使闪存盘避免盘内数据可能丢失/损坏的现象一度成为行业难题。CBM2080采用软件数据智能备份与恢复技术,有效地解决了这一难题。此外,在上电和掉电过程中,当芯片处在临界电压工作状态下,控制芯片本身会产生误操作,从而破坏闪存的内部数据。为此CBM2080采用特殊的硬件数据安全防护技术,有效地保护了数据。

4.USB2.0逼近闪存读写速度极限

CBM2080的存取速度现已达到写19.5MBps、读21.5MBps,并且还在进一步优化和提升中。而现有的USB2.0闪存盘速度多数为7-8MBps。由于闪存控制芯片本身性能的限制,市场上USB2.0闪存盘最大读写速度普遍限制在10倍速以下,CBM2080采用了32位USB协议和闪存存储专用处理器,以及优化的文件存取算法和双通道技术,使闪存潜力得到充分挖掘,逼近闪存读写速度的极限,实现了“20倍速”的突破。

5.GPIO模式和Normal模式的灵活切换

图5:带SIM卡读卡功能的闪存盘硬件组成框图。

由于客户需求的差异性,往往需要在芯片现有的功能基础上增加或更改一些功能。这些新功能中,一般只需对固件进行修改就能实现。CBM2080/1180架构中特有的软件配置特性可以很好地适应此要求。根据此特性,开发人员只需修改存放在闪存里的外部软件就可以完成任务,而不需修改内部的固件,节约了重新流片所需的一至两个月时间和有关的掩膜费用,不仅大大缩短了产品上市的时间,而且还节约了费用。当然外部软件上载到芯片里运行,需要芯片内提供额外的程序存储空间。怎样使芯片成本得到控制、同时又能保证灵活性将是一个挑战,CBM2080/1180采用了自主专利技术,很好地解决了此问题。

除了软件配置特性外,芯片本身拥有的通用接口(GPIO)管脚也很关键。目前CBM2080/1180有两个闪存接口通道,每个通道有十几个管脚,在普通(Normal)模式下,这些管脚组成的通道会按闪存接口时序进行工作。但如果通过管脚的模式设定,使芯片工作在GPIO模式下,这两路闪存接口通道的大部分管脚便成了GPIO管脚,可以由固件来直接控制,根据固件的要求产生各种不同类型的时序,从而满足不同应用所需的时序要求。

目前按以上方法已完成的各种应用开发包括:带指纹识别的闪存盘、带手机SIM卡读卡功能的闪存盘、带液晶显示的闪存盘、NOR闪存盘和防伪扫描器等。

CBM2080/1180的硬件设计

CBM2080/1180为了适应不同场合的应用需要主要有两种封装形式TQFP48和LQFP6?。48管脚CBM2080/CBM1180最大支持4片闪存,6??脚CBM2080L/CBM1180L最大支持8片闪存。CBM2080/1180 的典型应用电路见图2。

CBM2080/1180能够适应多场合、多领域的应用还缘自其内部结构GPIO模式和Normal模式的灵活切换的特质,所有的数据线和控制端口都能够在这两种模式下由程序自由控制切换,这样两个数据端口及部分控制线都能够扩展应用为通用输入输出端口,为CBM2080/1180适应不同用户应用需要提供了硬件资源的保证,CBM2080/1180除了内部7K的ROM还能够通过串口根据需要任意扩展外部EEPROM。

软件层次的划分和主流程

CBM2080/1180的软件层次划分和主流程如下:

1.第一层是Host端,通过USB连接线与主控连接,Host是所有命令的发起者,一切操作都根据它的命令作相应的响应。


2.第二层解析Host给出的命令,区分Host的操作。

图6:带液晶显示功能的闪存盘硬件组成框图。


3.第三层根据Host给出的逻辑参数(逻辑地址和长度)和闪存的架构得到一些需要的参数,算出要写入的闪存物理地址。这一部分只与闪存架构有关,相对固定,不会常修改。


4.第四层是从Host收到的扇区数据写到闪存中,这一部分是要针对闪存的架构确定Host数据的接收方式,四个缓冲器可以轮流接收数据。


5.第五层是直接的闪存物理操作,就是闪存的擦除、读和写。

如图3所示,第三、四、五层(绿色框内)组成一个独立的模块,实现了闪存的逻辑读写,只需要三个参数:逻辑起始地址和长度,根据应用的需要,写入闪存的数据的来源可以不同,如配置成闪存盘可以从宿主PC的USB端口在写的过程中接收,也可以将接收到的数据先存于数据缓冲区,再写入闪存。

CBM2080/1180在支持闪存时,是将相同架构的闪存归类,通过参数可以具体的操作到闪存,对闪存的划分依据主要考虑以下几个参数:


1.页(Page)的大小


2.读、写、擦除闪存的命令


3.特殊操作

闪存配合CBM2080/1180主控之后,必须经过量产工具系统才可以读写,量产的目的一是标示出闪存的坏块,二是写入CBM2080/1180的对闪存盘的配置信息,以及预置一些特定的逻辑信息。

具体应用实例

1.实现带指纹识别功能的闪存盘

该方案以CBM2080/CBM1080主控芯片为平台,除了具备一般功能特点外,还具有指纹提取与识别的功能,本方案采用了Symwave的SW6888 CMOS滑动指纹传感器,用户通常只需将指纹闪存盘连接到PC,就可通过安装在PC端的应用程序界面完成对指纹进行提取、识别、保存等一系列的操作(见图4)。

在程序设计上,主控工作在Normal模式下,对传感器的操作可以通过多种数字接口如:SSI、SPI、并口和闪存。

2.实现带SIM卡读卡功能的闪存盘

该方案除了具备基于CBM2080/CBM1080主控芯片的闪存盘兼容性高(支持多种闪存)、读写速度快、ECC纠错、分区调整/加密写保护、USB ZIP/HARD BIOS启动、AUTO RUN等功能外,还能够通过闪存盘上的SIM卡接口,读写各种手机SIM卡的所有信息,并能够对其电话号码、短信等信息进行编辑/保存/打印,而且还可根据客户的需要做更多的功能扩展,目前已经实现了不仅能够支持联通、移动的GSM和CDMA卡,而且同时支持港澳台、韩国、日本等国外手机SIM卡。其硬件组成框图如图5。

图7:基于CBM2080/1180的NOR闪存。

在程序设计上,闪存接口工作在Normal模式下,而与SIM卡的接口工作在GPIO模式下。外部EEPROM可根据客户设计的具体功能需要而扩展,这就为客户端的二次开发提供了便利。

3.带液晶显示功能的U盘实现

该方案特别具有闪存盘状态信息显示功能,如锁保护状态、总容量和剩余空间,以及客户自定义的一些信息。此外,其时间显示还具有可选自动同步功能,也就是说在闪存盘上电过程中,时间可以自动调整与电脑时间一致。将来如果有客户和厂商的需要,可视闪存盘还可以加上闹钟等功能。其硬件组成框图如图6。

和SIM卡闪存盘的设计相似,在程序设计上,闪存接口工作在Normal模式下,而与LCD的接口工作在GPIO模式下。

4.NOR闪存盘

目前CBM2080/1180已能支持各主流厂商的NAND、MLC NAND、AG-AND闪存和NOR闪存,拓展了闪存盘制造厂商对闪存的选择空间。CBM2080/1180可通过扩展锁存地址线的方法来实现对NOR闪存的支持,目前已能够实现对目前市场上最大为256MB的NOR闪存的支持。

在程序设计上,主控和闪存的接??替工作在Normal和GPIO模式下。

本文小结

USB技术在台式和便携式计算机领域的地位已如日中天,闪存盘已不在局限于存储数据的单一功能,客户的需求决定了闪存盘未来的发展。从以上的具体应用可以看出,CBM2080/1180不仅是一款性能突出的闪存盘主控芯片,而且由于其独特的功能与结构特点,使得CBM2080/1180足以担当闪存盘应对未来挑战和提升客户核心技术含量与附加值的重任。

供稿:深圳芯邦微电子有限公司






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