JZ2440 裸机驱动 第8章 NAND Flash控制器

本章目标 
了解NAND Flash 芯片的接口
掌握通过NAND Flash控制器访问NAND Flash的方法
8.1 NAND Flash介绍和NAND Flash控制器使用
    NAND Flash在嵌入式系统中的地位与PC上的硬盘类似,用于保存系统运行所需的操

作系统、应用程序、用户数据、运行过程中产生的各类数据。与内存掉电数据丢失不同,
NAND Flash中的数据在掉电后仍可永久保存。
8.1.1 Flash介绍
    常用的Flash类型由NOR Flash和NAND Flash两种。两者的主要差别如表8.1所示。
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    NOR Flash支持XIP,即代码可以直接在NOR Flash上执行,无需复制到内存中。这是
由于NOR Flash的接口与RAM完全相同,可以随机访问任意地址的数据。在NOR Flash上进行
读操作的效率非常高,但擦除和写操作的效率很低;另外,NOR Flash的容量一般比较小。
NAND Flash进行擦除和写操作的效率更高,而且容量更大。一般而言,NOR Flash用于存储
程序,NAND Flash用于存储数据。基于NAND Flash的设备通常也要搭配NOR Flash以存储程序。
    Flash存储器件由擦除单元(也称为块)组成,当要写某个块时,需要确保这个块已经被
擦除。NOR Flash的块大小范围为64KB~128KB;NAND Flash的块大小范围为8KB~64KB,擦写一
个NOR Flash块需要4s,而擦写一个NAND Flash块仅需2ms。NOR Flahs的块太大,不仅增加了
擦写时间,对于给定的写操作,NOR Flash也需要更多的擦除操作——特别是一些小文件,比
如一个文件只有1KB,但是为了保存它,确需要擦除大小为64KB~128KB的NOR Flash块。
    NOR Flash的接口与RAM完全相同,可以随意访问任意地址的数据,而NAND Flahs的接口
仅仅包含几个I/O引脚,需要串行地访问。NAND Flash一般以512字节为单位进行读写。这使得
NOR Flash适合于运行程序,而NAND Flash更适合于存储数据。
    容量相同的情况下,NAND Flash的体积更小,对于空间有严格要求的系统,NAND Flash
可以节省更多空间。市场上NOR Flash的容量通常为1MB~4MB(也有32MB的NOR Flash),NAND Flash
的容量为8MB~512MB。容量的差别也使得NOR Flash多用于存储程序,NAND Flash多用于存储数据。
    对于Flash存储器件的可靠性需要考虑3点:位反转、坏块和可擦除次数。所有Flash器件
都遭遇位反转的问题:由于Flash固有的电器特性,在读写数据过程中,偶然会产生一位或几位
数据错误(这种概率很低),而NAND Flash出现的概率远大于NOR Flash。当位反转发生在关键的
代码、数据上时,有可能导致系统崩溃。当仅仅是报告位反转,重新读取即可;如果确实发生了
位反转,则必须有相应的错误检测/恢复措施。在 NAND Flash上发生位反转的概率更高,推荐使用
EDC/ECC进行错误检测和恢复。NAND Flash上面会有坏块随机分布,在使用前需要将坏块检测出来,
确保它们不再使用,否则会使产品含有严重的故障NAND Flash每块的可擦除次数通常在10 0000次,
是NOR Flash的10倍。另外,因为NAND Flash的块大小通常是NOR Flash的1/8,所以NAND Flash的
寿命远远超过NOR Flash。
    嵌入式Linux对NOR、NAND Flash的软件支持都很成熟。在NOR Flash上常用jffs2文件系统,
而在NAND Flash上常用yaffs文件系统。在更底层,有MTD驱动程序实现对它们的读、写、擦除操作,
它也实现了EDC/ECC校验。
8.1.2 NAND Flash的物理结构
    NAND Flash K9F1208U0M为例,这款芯片时三星公司生产的容量为64MB的NAND Flash,常用于
手持式设备等消费类电子。它的封装及外部引脚如图8.7所示:
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     K9F1208U0M的功能结构图如图8.2所示。
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     K9F1208U0M的内部结构分为10个功能部件
    ① X-Buffers Latche & Decoders:用于行地址;
    ② Y-Buffers Latche & Decoders:用于列地址;
    ③ Command Register:用于命令字;
    ④ Control Logic & High Voltage Generator:控制逻辑及产生Flash所需高压;
    ⑤ Nand Flash Array:存储部件。
    ⑥ Page Register & S/A:页寄存器,当读、写某页时,会将数据先读入\写入此寄存器,大小为528字节;
    ⑦ Y-Gating;
    ⑧ I/O Buffers & Latches;
    ⑨ Global Buffers;
    ⑩ Output Driver。
    NAND Flash存储单元组织结构如图8.3所示。

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     K9F1208U0M容量为528Mbit,分为131072行(页)、528列;每页大小为512字节,外加
16字节的额外空间,这16字节额外空间的列地址为512~527。
    命令、地址、数据都通过8个I/O口输入/输出,这种形式减少了芯片的引脚个数,并使得
系统很容易升级到更大的容量。写入命令、地址或数据时,都需要将WE#、CE#信号同时
拉低。数据在WE#信号的上升沿被NAND Flash锁存:命令锁存信号CLE、地址锁存信号
ALE用来分辨、锁存命令或地址。K9F1208U0M的64MB存储空间需要26位地址,因此以
字节为单位访问Flash时需要4个地址序列:列地址、行地址的低位部分、行地址的高位部分。
读写页在发出命令后,需要4个地址序列,而擦除块在发出擦除命令后仅需要3个地址序列。
8.1.3 NAND Flash访问方法
1.硬件连接
    NAND Flash与S3C2410/S3C2440的硬件连接如图8.4所示。

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    NAND Flash与S3C2410/S3C2440的连线比较少:8个I/O引脚(IO0~IO7)、5个使能
信号(nWE、ALE、CLE、nCE、nRE)、1个状态引脚(RDY/B)、1个写保护引脚(nWP)。
地址、数据和命令都是在这些使能信号的配合下,通过8个I/O引脚传输。写地址、数据、
命令时,nCE、nWE信号必须为低电平,它们在nWE信号的上升沿被锁存。命令锁存使
能信号CLE和地址锁存信号ALE用来区分I/O引脚上传输的是命令还是地址。
2.命令字及操作方法
    操作NAND Flash时,先传输命令,然后传输地址,最后读写数据,期间要检查Flash
的状态。对于K9F1208U0M,它的容量为64MB,需要一个26位的地址。发出命令后,后
面要紧跟着4个地址序列。比如读Flash时,发出读命令和4个地址序列后,后续的读操作就
可以得到这个地址及其后续地址的数据。相应的命令字和地址序列如表8.2、8.3所示。
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    K9F1208U0M一页大小为528字节,而列地址A0~A7可以寻址的范围是256字节,所
以必须辅以其他手段才能完全寻址这528字节。将一页分为A、B、C三个区:A区为0~255
字节,B区为256~511字节,C区为512~527字节。访问某页时,需要选定特定的区,这
称为“使地址指针指向特定的区”。这通过3个命令来实现:
    命令00h让地址指针指向A区、命令01h让地址指针指向B区、命令50h让地址指针指向C区。
    命令00h和50h会使得访问Flash的地址指针一直从A区或C区开始,除非发出了其他的修改
地址指针的命令。
    命令01h的效果只能维持一次,当前的读、写、擦除、复位或者上电操作完成后,地址指针
重新指向A区。
    写A区或C区数据时,必须在发出命令80h之前发出命令00h或者50h;
    写B区数据时,发出命令01h后必须紧接着发出命令80h。
    图8.5形象地表示了K9F1208U0M的这个特性。
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     下面逐个讲解表8.2的命令字。
    (1)Read1:命令字为00h或01h。
    如图8.5所示,发出命令00h或者01h后,就选定了读操作从A区还是B区开始。从表8.3
可知,列地址A0~A7可以寻址的范围是256字节,命令00h和01h使得可以在512字节大小
的页内任意寻址——这相当于A8被命令00h设为0,而被命令01h设为1。
    发出命令字后,依照表8.3发出4个地址序列,然后就可以检测R/nB引脚以确定Flash
是否准备好。如果准备好了,就可以发起读操作依次读入数据。
    (2)Read2:命令字为50h。
    与Read1类似,不过读取的是C区数据,操作序列为:发出命令字50h、发出4个地址
序列、等待R/nB引脚为高,最后读取数据。不同的是,地址序列中A0~A3用于设定C区
(大小为16字节)要读取的起始地址,A4~A7被忽略。
    (3)ReadID:命令字位90h。
    发出命令字90h,发出4个地址序列(都设为0),然后就可以连续读入5个数据,分别
表示:厂商代码(对于SAMSUNG公司为Ech)、设备代码(对于K9F1208U0M为76h)、保
留的字节(对于K9F1208U0M为A5h)、多层操作代码(C0h表示支持多层操作)。
    (4)Reset:命令字位FFh。
    发出命令字FFh即可复位NAND Flash芯片。如果芯片正处于读、写、擦除状态,复位
命令会终止这些命令。
    (5)Page Program(True):命令字分两段,80h和10h。
    它的操作序列如图8.6所示。

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     NAND Flash的写操作一般是以页为单位的,但是可以只写一页中的一部分。发出命令
字80h后,紧接着是4个地址序列,然后向Flash发送数据(最大可以达到528字节),然后发
出命令字10h启动写操作,此时Flash内部会自动完成写、校验操作。一旦发出命令字10h
后,就可以通过读状态命令70h获知当前操作是否完成、是否成功。
    (6)Page Program(Dummy):命令字分两阶段,80h和11h。
    NAND Flash K9F1208U0M分为4个128Mbit的存储层(plane),每个存储层包含1024个
block和528字节的寄存器。这使得可以同时写多个页(page)或者同时擦除多个块(block)。
块的地址经过精心安排,可以在4个连续的块内同时进行写或者擦除操作。
    如图8.7所示位K9F1208U0M的块组织图。

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    命令Page Program(Dummy)正是在这种结构下对命令Page Program(True)的扩展,后者仅能
对一页进行写操作,前者可以同时写4页。命令Page Program(Dummy)的操作序列如图8.8所示。

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     发出命令字80h、4个地址序列及最多528字节的数据之后,发出命令字11h(11h称为
“Dummy Page Program command”,相对地,10h称为“True Page Program command”);
接着对相邻层(plane)上的页进行同样的操作;仅在第4页的最后使用10h替代11h,这样
即可启动Flash内部的写操作。此时可以通过命令71h获知这些操作是否完成、是否成功。
    (7)Copy-Back Program(True):命令字分3阶段,00h、8Ah、10h。
    此命令用于将一页复制到同一层(plane)内的另一页,它省略了读出源数据、将数据重新
载入Flash,这使得效率大为提高。此命令有两个限制:源页、目的页必须在同一层(plane)
中,并且源地址、目的地址的A14、A15必须相同。
    操作序列如图8.9所示。

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    首先发出命令Read1(00h)、4个源地址序列,此时源页的528字节数据很快就被全部
读入内部寄存器中;
    接着发出命令字8Ah(Page-Copy Data-input command),随之发出4个目的地址序列;
    最后发出命令字10h启动对目的页的写操作。
    此后,可以使用命令70h来查看此操作是否完成、是否成功。
    (8)Copy-Back Program(Dummy):命令字分3阶段,03h、8Ah、11h。
    与命令Page Program(Dummy)类似,Copy-Back Program(Dummy)可以同时启动对多
达4个连续plane内的Copy-Back Program操作。操作序列如图8.10所示。

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    从图8.10 可知,首先发出命令字00h、源页地址,这使得源页的528字节数据被读入
所在plane的寄存器;对于随后的其他plane的源页,发出命令字03h和相应的源页地址
将数据读入该plane的寄存器;按照前述说明读出最多4页的数据到寄存器后,发出命令
字8Ah、目的地址、命令字11h,在发出最后一页的地址后,用10h代替11h以启动写操作。
    (9)Block Erase:命令字分3阶段,60h、D0h。
    此命令用于擦除NAND Flash块(block,大小为16KB)。发出命令字60h之后,发出block
地址——仅需要3个地址序列(请参考表8.3,仅需要发出2、3、4 cycle所示地址),并且
A9~A13被忽略。操作序列如图8.11所示。
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     (10)Multi-Plane Block Erase:60h——60h D0h
    此命令用于同时擦除不同的plane中的块。发出命令字60h之后,紧接着发出block地址序
列,如此最多可以发出4个block地址,最后发出命令字D0h启动擦除操作。操作序列如图
8.12所示。

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     (11)读状态命令有以下两种:
    ① Read Status:命令字位70h;
    ② Read Multi-Plane Status:命令字位71h。
    Flash中有状态寄存器,发出命令字70h或者71h之后,启动读操作即可读入此寄存器。
状态寄存器中各位的含义如表8.4所示。
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 8.1.4 S3C2410/S3C2440 NAND Flash控制器介绍
    NAND Flash控制器提供几个寄存器来简单对NAND Flash的操作。比如要发出读命令时,
只需要向NFCMD寄存器中写入0即可,NAND Flash控制器会自动发出各种控制信号。
1.操作方法概述
    访问NAND Flash时需要先发出命令,然后发出地址序列,最后读写数据;需要使用各个
使能信号来分辨是命令、地址还是数据。S3C2410的NAND Flash控制器提供了NFCONF、NFCMD、
NFADDR、NFDATA、NFSTAT和NFECC等6个寄存器来简化这些操作。S3C2440的NAND Flash控制器
则提供了NFCONF、NFCONT、NFCMMD、NFADDR、NFDATA、NFSTAT和其他与ECC有关的寄存器。对
NAND Flash控制器的操作,S3C2410/S3C2440有一点不同:有些寄存器的地址不一样,有些寄
存器的内容不一样,这在示例程序中会体现出来。
    NAND Flash的读写操作次序如下:
    ① 设置NFCONF(对于S3C2410,还要设置NFCONT)寄存器,配置NAND Flash;
    ② 向NFCMD寄存器写入命令,这些命令字可参考表8.2;
    ③ 向NFADDR寄存器写入地址;
    ④ 读写数据:通过寄存器NFSTAT检测NAND Flash的状态,在启动某个操作后,应该检
测R/nB信号以确定该操作是否完成,是否成功。

2.寄存器介绍

    下面讲解这些寄存器的功能及具体用法。
(1)NFCONF:NAND Flash配置寄存器。
    这个寄存器在S3C2410、S3C2440上功能有所不同。
    ① S3C2410的NFCONF寄存器。
    被用来使能/禁止NAND Flash控制器、使能/禁止控制引脚信号nFCE、初始化ECC、设
置NAND Flash的时序参数等。
    TACLS、TWRPH0和TWRPH1这3个参数控制的是NAND Flash信号线CLE/ALE与写控制信号
nWE的时序关系,如图8.13所示。

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    ② S3C2440的NFCONF寄存器。
    被用来设置NAND Flash的时序参数TACLS、TWRPH0、TWRPH1,设置数据尾款;还有
一些只读位,用来指示是否支持其他大小页(比如一页大小为256/512/1024/2048字节)。
    它没有实现S3C2410的NFCONF寄存器的控制功能,这些功能在S3C2440的NFCONT寄存
器里实现。
(2)NFCONT:NAND Flash控制寄存器,S3C2410没有这个寄存器。
    被用来使能/禁止NAND Flash控制器、使能/禁止控制引脚信号nFCE、初始化ECC。它
还有其他功能,在一般的应用中用不到,比如锁定NAND Flash。
(3)NFCMD:NAND Flash命令寄存器。
    对于不同信号的Flash,操作命令一般不一样。对于本开发板使用的K9F1208U0M,请参
考表8.2.
(4)NFADDR:NAND Flash地址寄存器
    当写这个寄存器时,它将对Flash发出地址信号。
(5)NFDATA:NAND Flash数据寄存器。
    只用到低8位,读、写此寄存器将启动对NAND Flash的读、写数据操作。
(6)NFSTAT:NAND Flash状态寄存器。
    只用到位0,0:busy;1:ready。
8.2 NAND Flash 控制器操作实例:读Flash
    本实例讲述如何读取NAND Flash,擦除、写Flash的操作与读Flash类似,读者可以
自行编写程序。
8.2.1 读NAND Flash的步骤
    下面讲述如何从NAND Flash中读出数据,假设读地址为addr。
1.设置NFCONF(对于S3C2440,还要设置NFCONT)
(1)对于S3C2420。
    在本章实例中设为0x9830——使能NAND Flash控制器、初始化ECC、NAND Flash片
选信号nFCE = 1(inactive,真正使用时再让它等于0),设置TACLS = 0,TWRPH0 = 3,TWRPH1
= 0。这些时序参数的含义为:TACLS = 1个HCLK时钟,TWRPH0 = 4个HCLK时钟,TWRPH1 = 1
个HCLK时钟。
    K9F1208U0M的时间特性如下:
    CLE setup Time = 0 ns,CLE Hold Time = 10ns,
    ALE setup Time = 0 ns,ALE Hold Time = 10ns,
    WE Pulse Width = 25ns
    参考图8.13,可以计算:即使在HCLK = 100MHz的情况下,
        TACLS + TWRPH0 + TWRPH1 = 6/100us = 60ns ,
也是可以满足NAND Flash K9F1208U0M的时序要求的。
(2)对于S3C2440。
    时间参数也设为:TACLS = 0,TWRPH0 = 3,TWRPH1= 0.NFCONF寄存器的值如下:
    NFCONF = 0x300
    NFCONT寄存器的取值如下,表示使能NAND Flash控制器、禁止控制引脚信号nFCE、
初始化ECC。
    NFCONT = (1 << 4) | (1 << 1) | (1 << 0)
2.在第一次操作NAND Flash前,通常复位一下NAND Flash
(1)对于S3C2410。
    NFCONF &= ~(1 << 11)    (发出片选信号)
    NFCMD     = 0xff             (reset命令)
     然后循环查询NFSTAT的位0,直到它等于1。
    最后禁止片选信号,在实际使用NAND Flash时再使能。
    NFCONF |= (1 << 11)        (禁止NAND Flash)
(2)对于S3C2440。
    NFCONT &= ~(1 << 1)      (发出片选信号)
    NFCMD     = 0xff             (reset命令)
    然后循环查询NFSTAT位0,知道它等于1。
    最后禁止片选信号,在实际使用NAND Flash时再使能。
    NFCONT |= 0x2                (禁止NAND Flash)
3.发出读命令
    先使能NAND Flash,然后发出读命令。
(1)对于S3C2410。
    NFCONF &= ~(1 << 11)    (发出片选信号)
    NFCMD     = 0                (读命令)
(2)对于S3C2440。
    NFCONT &= ~(1 << 1)       (发出片选信号)
    NFCMD     = 0                  (读命令)
4.发出地址信号
    这步请注意,表8.3列出了在地址操作的4个步骤对应的地址线,没有用到A8(它由读命令
设置,当读命令位0时,A8 = 0;当为1时,A8 = 1),如下所示:
 NFADDR = addr & 0xff
NFADDR = (addr >> ) & 0xff (左移9位,不是8位)
NFADDR = (addr >> ) & 0xff (左移17位,不是16位)
NFADDR = (addr >> ) & 0xff (左移25位,不是24位)

NFADDR

5.循环查询NFSTAT位0,直到它等于1,这时可以读取数据了
6.连续读NFDATA寄存器512次,得到一页数据(512字节)
    循环执行第3、4、5、6这4个步骤,直到读出所要求的所有数据。
7.最后,禁止NAND Flash的片选信号
(1)对于S3C2410。
    NFCONF |= (1 << 11) 
(2)对于S3C2440。
    NFCONT |= (1 << 1)
8.2.2 代码详解
    实验代码在/work/hardware/nand目录下,源文件为head.S、init.c和main.c。本实例的目的
是把一部分代码存放在NAND Flash地址4096之后,当程序启动后通过NAND Flash控制器将
它们读出来、执行。以前的代码都小于4096字节,开发板启动后它们被自动复制进
“Steppingstone”中。
    连接脚本nand.lds把它们分为两部分,nand.lds代码如下:
 SECTIONS{
first 0x00000000:{head.o init.o nand.o}
second 0x30000000:AT(){main.o}
}

nand.lds

    第2行表示head.o、init.o、nand.o这3个文件的运行地址为0,它们在生成的映像文件中
的偏移地址也为0(从0开始存放)。
    第3行表示main.o的运行地址为0x30000000,它在生成的映像文件中的偏移地址为4096。
    head.S调用init.c中的函数来关看门狗、初始化SDRAM;
        调用nand.c中的函数来初始化NAND Flash,
        然后将main.c中的代码从NAND Flash地址4096开始复制到SDRAM中;
        最后跳到main.c中的main函数继续执行。
    由于S3C2410、S3C2440的NAND Flash控制器并非完全一样,这个程序要能分辨出是
S3C2410还是S3C2440,然后使用不同的函数进行处理。
    读取GSTATUS1寄存器,如果它的值为0x3241 0000或0x3241 0002,就表示处理器是
S3C2410,否则是S3C2440。
    nand.c向外引出两个函数:初始化NAND Flash的nand_init函数、将数据从NAND Flash
读到SDRAM的nand_read函数。
1.nand_init函数分析
代码如下:
 /*初始化NAND Flash*/
void nand_init(void)
{
#define TACLS 0
#define TWRPH0 3
#define TWRPH1 0 /*判断S3C2410还是S3C2440*/
if((GSTATUS1 == 0x32410000) || (GSTATUS1 == 0x32410002))
{
nand_chip.nand_reset = s3c2410_nand_reset;
nand_chip.wait_idle = s3c2410_wait_idle;
nand_chip.nand_select_chip = s3c2410_nand_select_chip;
nand_chip.nand_deselect_chip = s3c2410_nand_deselect_chip;
nand_chip.write_cmd = s3c2410_write_cmd;
nand_chip.read_data = s3c2410_read_data; /*使能NAND Flash控制器,初始化ECC,禁止片选,设置时序*/
s3c2410nand->NFCONF = ( << ) | ( << ) | ( << ) | (TACLS << ) | (TWRPH0 << ) | (TWRPH1);
}
else
{
nand_chip.nand_reset = s3c2440_nand_reset;
nand_chip.wait_idle = s3c2440_wait_idle;
nand_chip.nand_select_chip = s3c2440_nand_select_chip;
nand_chip.nand_deselect_chip = s3c2440_nand_deselect_chip;
nand_chip.write_cmd = s3c2440_write_cmd;
nand_chip.read_data = s3c2440_read_data; /*设置时序*/
s3c2440nand->NFCONF = (TACLS << ) | (TWRPH0 << ) | (TWRPH1 << );
/*使能NAND Flash控制器,初始化ECC,禁止片选*/
s3c2440nand->NFCONF = ( << ) | ( << ) | ( << );
} /*复位NAND Flash*/
nand_reset();
}

nand_init()

2.nand_read函数分析
    它的原型如下,表示从NAND Flash位置start addr开始,将数据复制到SDRAM地址
buf处,共复制size字节。
  void nand_read(unsigned char *buf, unsigned long start_addr, int size) 
代码如下:
 void nand_read(unsigned char *buf, unsigned long start_addr, int size)
{
int i, j; if((start_addr & NAND_BLOCK_MASK) || (size & NAND_BLOCK_MASK)){
return; /*地址或长度不对齐*/
} /*选中芯片*/
nand_select_chip(); for(i = start_addr; i < (start_addr + size) ; ){
/*发出READ0命令*/
write_cmd(); /*Write Address*/
write_addr(i);
wait_idle(); for(j = ; j < NAND_SECTOR_SIZE; j++, i++){
*buf = read_data();
buf++;
}
} /*取消片选信号*/
nand_deselect_chip(); return;
}

nand_read()

    可以看到,读取NAND Flash的操作分为6步:
    ① 选择芯片;
    ② 发出读命令;
    ③ 发出地址;
    ④ 等待数据就绪;
    ⑤ 读取数据;
    ⑥ 结束后,取消片选信号。
    流程图如图8.14所示。
JZ2440 裸机驱动 第8章 NAND Flash控制器
     为了更形象地了解程序执行时代码复制、程序执行位置,请参考图8.15。

JZ2440 裸机驱动 第8章 NAND Flash控制器

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附:代码:

链接: https://pan.baidu.com/s/1kV24a9L 密码: tfab
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