一、Nand Flash介绍
目前的NOR Flash 存储器价格较高,相对而言SDRAM 和Nand Flash 存储器更经济,这样促使了一些用户 在Nand Flash 中执行引导代码,在SDRAM 中执行主代码。
NAND Flash是一种非易失存储介质(掉电后数据不会丢失),常见的U盘、TF卡/SD卡,以及大部分SSD(固态硬盘)都是由它组成的。
常见的flash厂商有:Micron(镁光)、Toshiba(东芝)、Samsung(三星)、MXIC(旺宏)、dosilicon(东芯),(Winbond)华邦、ESMT等。
1.1 Nand Flash原理图
Mini2440开发板就是将采用了的256MB的Nand Flash(型号K9F2G08U0C)。
1.2 K9F2G08U0C芯片介绍
下图的信息来是官方手册:
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可以看出此款Nand Flash容量为256M,外加8M的冗余oob存储区;
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page大小为2K,block大小为128K;
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读一个page时顺序读取至少25*2048ns(数据可以每字节25ns的循环时间读出),随机读取不超过40us;
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写一个page一般为250us;
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擦除一个block一般为2ms
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封装上分为TSOP分装和FBGA封装(TSOP是指引脚在侧面,FBGA是引脚封在芯片底部,更能保障数据安全,有些客户为了保障数据安全性,防止被飞线进行数据破解,会要求用FBGA封装的flash)
引脚信息如下:
Pin Name | Pin Function |
I/O0 ~ I/O7 |
DATA INPUTS/OUTPUTS 数据输入输出(命令、地址、数据公用数据总线) |
CLE |
COMMAND LATCH ENABLE 命令使能,高电位有效 |
ALE |
ADDRESS LATCH ENABLE 地址使能,高电位有效 |
$\overline{CE}$ |
CHIP ENABLE 片选信号,低电位有效 |
$\overline{RE}$ |
READ ENABLE 写使能,低电位有效 |
$\overline{WE}$ |
WRITE ENABLE 读使能,低电位有效 |
$\overline{WP}$ |
WRITE PROTECT 写保护,读使能,低电位有效 |
$R/\overline{B}$ |
READY/BUSY OUTPUT 就绪/忙输出信号(低电平表示操作还在进行中,高电平表示操作完成) |
VCC |
POWER |
VSS | GROUND |
NC |
NO CONNECTION |
1.3 内部存储结构
我们常见的Nand Flash,内部只有一个chip,每个chip只有一个plane。但也有些复杂的,容量更大的Nand Flash,内部有多个chip,每个chip有多个plane,这类的Nand Flash,其实就是多了一个主控将多块flash叠加在一起,如下图:
- Block块:一个Nand Flash由很多个块(Block)组成,块的大小一般有64K,128KB,256KB,512KB,Block是Nand Flash的擦除操作的基本/最小单位。Nand Flash中,一个块中含有1个或多个位是坏的,就称为其为坏块Bad Block。
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Page页:每个块里面又包含了很多页(page)。每个页的大小,对于现在常见的Nand Flash多数是2KB,当然也有的Nand Flash的页大小为4KB、8KB等。页Page,是读写操作的基本单位
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oob ( Spare Area):每一个page页,对应还附加了一块区域,一般为64byte,叫做空闲区域(spare area)/oob区域(Out Of Band),由于nandflash在操作过程中容易产生位反转,这是nandflash的物理特性决定的,所以必须要有对应的检测和纠错机制,这种机制被叫做Error Checking and Correcting,所以设计了多余的oob区域,用于放置数据的校验值。oob的读写操作,一般是随着页的操作一起完成的,即读写页的时候,对应地就读写了oob。 关于oob具体用途,总结起来有:
- 标记是否是坏快;
- 存储ECC数据;
- 存储一些和文件系统相关的数据。如jffs2就会用到这些空间存储一些特定信息;
以K9F2G08U0C为例:
页--Page: (2K + 64)Byte , 每页有2048个字节,需要2^11==2048,即11位地址;
块--Block: (128K + 4K)Byte, 每块有64页,需要2^6=64,即6位地址;
256M/128K = 2048Block, 芯片一共有2048块,需要2^11 = 2048,即11位地址
现在以第25块的30页中的24byte为例:
物理地址 = 块大小×块号 + 页大小×页号 + 页内地址
= 128K x 25 + 2K x 30 + 24B
= 3338264(10)
= 32F018 (16)
0x32F018 = 0011 0010 1111 0000 0001 1000;
由此可得到实际发送的数据
- A7 - A0 = 0001 1000
- A10 - A8 = 0000 0000 (A11没用到)
- A19 - A12 = 0010 1111
- A27 - A20 = 0000 0011
- A28 = 0000 0000
二、S3C2440 Nand Flash控制器
我们知道Nand Flash没有独立地址线,CPU无法直接访问Nand Flash上的指令,所以Nand Flash不能片上执行。那么为何程序还能支持Nand Flash启动的呢? 为了支持Nand Flash启动,S3C2440A配备了一个称为“ Steppingstone”的内部SRAM缓冲区,容量为4K。 开机时,Nand Flash中的前4K数据将被加载到Steppingstone中,而引导代码将被加载到SRAM中将被执行,如下图所示:
我们知道s3c2440支持2种boot方式,Nand Flash或者Nor Flash,那么需要配置OM引脚来设置引导方式,OM[1:0] = 00:使能Nand Flash 存储器引导启动。
内存控制器的地址映射表如下:
2.1 引脚配置
当上电启动时,Nand Flash 控制器将通过下面的引脚配置来获取连接的 Nand Flash 的信息。
(1) NCON:Nand Flash 存储器选择(普通/先进)
- 0:普通 Nand Flash(256 字或 512 字节页大小,3 或 4 个地址周期)
- 1:先进 Nand Flash(1K 字或 2K 字节页大小,4 或 5 个地址周期)
(2) GPG13:Nand Flash 存储器page size选择
- 0:页=256 字(NCON=0)或页=1K 字(NCON=1)
- 1:页=512 字节(NCON=0)或页=2K 字节(NCON=1)
(3) GPG14:Nand Flash 存储器地址周期选择
- 0:3 个地址周期(NCON=0)或 4 个地址周期(NCON=1)
- 1:4 个地址周期(NCON=0)或 5 个地址周期(NCON=1)
(4) GPG15:Nand Flash 存储器总线宽度选择
- 0:8 位宽度
- 1:16 位宽度
如下表所示更直观:
三 Nand Flash控制器时序配置
Nand Flash访问时需要遵循一定的时序才能完成命令、地址、数据的发送。以8位宽数据总线为例,那么没有地址线它是怎么和cpu通信的呢?
1) Nand Flash是DATA0~DATA7上既传输数据,又传输地址,又传输命令; ①当ALE为高电平时传输的是地址; ②当CLE为高电平时传输的是命令; ③当ALE,CLE都为低电平表示传输的是数据 ;
2) 先发送片选CS和WE/RE信号;
3) 再发送CLE;
4) 再发送ALE;
5) 最后发送数据;
下面分别介绍命令、地址、数据的发送过程。
3.1 命令/地址锁存序号(写命令/地址)
1)首先看时钟,Nand Flash控制器的时钟源采用的是HCLK, 也就是AHB高速总线模式,假设HCLK=100Mhz, 则T=1/HCLK=10ns;
2)从上图可知命令、地址锁存的时序是一样的,复用一个时序图,当到达①的位置时,CLE/ALE=0;
3)当到达位置②时,CLE/ALE=1,表示命令/地址信号拉高,命令/地址开始使能,然后往数据总线DATA上放入命令或地址;
4)经过TACLS时间,到达位置③时,拉低nWE引脚,这时数据总线DATA上的命令/地址开始被锁存,锁存需要一定的时间,所以经过TWRPH0时间后,数据总线DATA上的命令/地址锁存完成;
5)到达位置④,此时释放nWE信号,nWE=1,这时还需要经过TWRPH1时间后,释放CLE/ALE,此时一个完整的命令/地址锁存过程完成。
上面分析了命令/地址的锁存时序过程,下面详细解释下上面几个时间参数的含义:
- TACLS:CLE/ALE使能信号发送多久后才可以发送nWE信号;
- TWRPH0:nWE信号发送多久后数据(commamd/addr)才会被锁存成功 ;
- TWRPH1:nWE信号释放多久后才能释放CLE/ALE。
那么这些时间参数要怎么配置呢?
这个需要根据我们实际使用的具体Nanf Flash型号和性能来配置我们的Nand Flash控制器。我们以K9F2G08U0C这款Nand Flash为例进行讲解,手册上命令和地址锁存周期如下:
和Nand Flash控制器的命令/地址锁存时序图对比发现:
TACLS = max(tCLS,tALS) - tWP;
TWRPH0 = tWP;
TWRPH0 = max(tCLH,tALH);
我们知道2440 nand控制器把命令、地址锁存时序复用成了一个时序图,其实命令和地址锁存时序参数基本一致,只不过发命令只需要一个周期就OK了,发地址需要5个时钟周期,为什么?
你想,命令多简单,无非就是读写擦,像我们这款nand数据位宽8bit,一个周期绰绰有余。但地址就不一样了,比如此款nandflash容量256M = 2^28,那么需要28根数据线来传输才能一个周期传输完,但这款nandflash的数据总线位宽只有8bit, 只有8根数据线,所以需要把地址拆分成多次发送,先发送col地址,再发送row地址,此款nandflash是用了5个周期发送地址。
3.2 数据锁存时序(写数据)
从前面的命令地址锁存时序图中我们得知,CLE信号拉高,ALE信号拉低时,表示发送的命令;当CLE信号拉低,ALE信号拉高时,表示发送的地址;那么当CLE、ALE都拉低时,表示发送的数据,如下图,nCE, CLE, ALE都拉低了,表示传输的是数据。
1) 当到达①时,nWE还是高电平,写使能没有开启;
2) 当到达②,③时,那么经过了tWP时间(TDS时间),数据开始被锁存;
3) 到达④,经过tDH时间,数据锁存完成;
4) 到达⑤,也就是数据开始锁存后再过了tWH时间后释放nWE信号;
5) 重复②③④⑤过程。
根据上面这三个图(手册上的命令、地址、数据锁存时序图),下面详细解释各个时间参数的含义:
3.3 顺序访问周期(读数据)
1)①处,表示要过tRR后才能发送读使能信号nRE进行访问(上一次的访问结束后,需要等待ready状态稳定后才可以进行下一次访问);
2)当到达②,需要经过rREA时间后nRE信号才有效(待nRE稳定);
3)当到达③,DATA总线上的读取被读取;
4)当到达④,nRE释放tREH时间后才允许下一次读使能
我们看到连续顺序访问时,单次访问的时间为tRC,那么这些时间参数的值也可以从K9F2G08U0C datasheet中找到:为25ns
参考文章:
[1] s3c2440裸机-nandflash编程(一. nandflash原理及结构简介)