對S3C2440讀取NAND Flash的總結(jié)

S3C2440 板的Nand Flash 支持由兩部分組成：Nand Flash 控制器(集成在S3C2440 CPU)和Nand Flash 存儲芯片(K9F1208U0B)兩大部分組成。當(dāng)要訪問Nand Flash中的數(shù)據(jù)時(shí),必須通過Nand Flash控制器發(fā)送命令才能完成。所以, Nand Flash相當(dāng)于S3C2440的一個(gè)外設(shè),而不位于它的內(nèi)存地址區(qū).

NAND Flash 的數(shù)據(jù)是以bit 的方式保存在memory cell，一般來說，一個(gè)cell 中只能存儲一個(gè)bit。這些cell 以8 個(gè)或者16 個(gè)為單位，連成bit line，形成所謂的byte(x8)/word(x16)，這就是NAND Device 的位寬。這些Line 會再組成Page.

1block=32page,1page=528byte=512byte(MainArea)+16byte(SpareArea)

Nandflash以頁為單位讀寫數(shù)據(jù)，而以塊為單位擦除數(shù)據(jù)。

按照這樣的組織方式可以形成所謂的三類地址：

--BlockAddress--PageAddress--ColumnAddress

對于NANDFlash來講，8個(gè)I/O引腳充當(dāng)數(shù)據(jù)、地址、命令的復(fù)用端口。地址和命令只能在I/O[7:0]上傳遞，數(shù)據(jù)寬度是8位。

512byte需要9bit來表示，對于528byte系列的NAND，這512byte被分成1sthalf和2ndhalf,最后16個(gè)字節(jié)（又稱OOB）用于NandFlash命令執(zhí)行完后設(shè)置狀態(tài)用，各自的訪問由地址指針命令來選擇，A[7:0]就是所謂的columnaddress。

32個(gè)page需要5bit來表示，占用A[13:9]，即該page在塊內(nèi)的相對地址。Block的地址是由A14以上的bit來表示，例如512Mb的NAND，共4096block，因此，需要12個(gè)bit來表示，即A[25:14]，如果是1Gbit的528byte/page的NANDFlash，則blockaddress用A[26:14]表示。

NANDFlash的地址表示為：

BlockAddress|PageAddressinblock|halfpagepointer|ColumnAddress

地址傳送順序是ColumnAddress,PageAddress,BlockAddress。

由于地址只能在I/O[7:0]上傳遞，因此，必須傳遞多次。例如，對于512Mbitx8的NANDflash，地址范圍是0-0x3FFFFFF，只要是這個(gè)范圍內(nèi)的數(shù)值表示的地址都是有效的。以NAND_ADDR為例：第1步是傳遞columnaddress，就是NAND_ADDR[7:0]給相應(yīng)的寄存器，即可傳遞到I/O[7:0]上，而halfpagepointer即bit8是由操作指令決定的，即指令決定在哪個(gè)halfpage上進(jìn)行讀寫。而真正的bit8的值是dontcare的。第2步就是將NAND_ADDR[16:9]傳到I/O[7:0]上。第3步將NAND_ADDR[24:17]放到I/O上。第4步需要將NAND_ADDR[25]放到I/O上因此，整個(gè)地址傳遞過程需要4步才能完成，即4-stepaddressing。如果NANDFlash的容量是256Mbit以下，那么，blockadress最高位只到bit24，因此尋址只需要3步。下面，就x16（16位）的NANDflash器件稍微進(jìn)行一下說明。由于一個(gè)page的mainarea的容量為256word，仍相當(dāng)于512byte。但是，這個(gè)時(shí)候沒有所謂的1sthalfpage和2ndhalfpage之分了，所以，bit8就變得沒有意義了，也就是這個(gè)時(shí)候bit8完全不用管，地址傳遞仍然和x8器件相同。除了，這一點(diǎn)之外，x16的NAND使用方法和x8的使用方法完全相同。

正如硬盤的盤片被分為磁道，每個(gè)磁道又分為若干扇區(qū)，一塊nandflash也分為若干block，每個(gè)block分為如干page。一般而言，block、page之間的關(guān)系隨著芯片的不同而不同，典型的分配是這樣的：
1block=32page
1page=512bytes(datafield)+16bytes(oob)

需要注意的是，對于flash的讀寫都是以一個(gè)page開始的，但是在讀寫之前必須進(jìn)行flash的擦寫，而擦寫則是以一個(gè)block為單位的。同時(shí)必須提醒的是，512bytes理論上被分為1sthalf和2sdhalf，每個(gè)half各占256個(gè)字節(jié)。

我們討論的K9F1208U0B總共有4096個(gè)Blocks，故我們可以知道這塊flash的容量為4096*(32*528)=69206016Bytes=66MB。但事實(shí)上每個(gè)Page上的最后16Bytes是用于存貯檢驗(yàn)碼和其他信息用的，并不能存放實(shí)際的數(shù)據(jù)，所以實(shí)際上我們可以操作的芯片容量為4096*(32*512)=67108864Bytes=64MB。

由上圖所示，1個(gè)Page總共由528Bytes組成，這528個(gè)字節(jié)按順序由上而下以列為單位進(jìn)行排列（1列代表一個(gè)Byte。第0行為第0Byte，第1行為第1Byte，以此類推，每個(gè)行又由8個(gè)位組成，每個(gè)位表示1個(gè)Byte里面的1bit）。這528Bytes按功能分為兩大部分，分別是DataField和SpareField，其中SpareField占528Bytes里的16Bytes,這16Bytes是用于在讀寫操作的時(shí)候存放校驗(yàn)碼用的，一般不用做普通數(shù)據(jù)的存儲區(qū)，除去這16Bytes,剩下的512Bytes便是我們用于存放數(shù)據(jù)用的DataField，所以一個(gè)Page上雖然有528個(gè)Bytes，但我們只按512Bytes進(jìn)行容量的計(jì)算。

讀命令有兩個(gè)，分別是Read1,Read2其中Read1用于讀取DataField的數(shù)據(jù)，而Read2則是用于讀取SpareField的數(shù)據(jù)。對于NandFlash來說，讀操作的最小操作單位為Page，也就是說當(dāng)我們給定了讀取的起始位置后，讀操作將從該位置開始，連續(xù)讀取到本Page的最后一個(gè)Byte為止（可以包括SpareField）

NandFlash的尋址
NandFlash的地址寄存器把一個(gè)完整的NandFlash地址分解成ColumnAddress與PageAddress.進(jìn)行尋址。

ColumnAddress:列地址。ColumnAddress其實(shí)就是指定Page上的某個(gè)Byte，指定這個(gè)Byte其實(shí)也就是指定此頁的讀寫起始地址。

PaageAddress：頁地址。由于頁地址總是以512Bytes對齊的，所以它的低9位總是0。確定讀寫操作是在Flash上的哪個(gè)頁進(jìn)行的。

Read1命令

當(dāng)我們得到一個(gè)NandFlash地址addr時(shí)我們可以這樣分解出ColumnAddress和PageAddress
column_addr=src_addrQ2;//columnaddress
page_address=(src_addr>>9);//pageaddress

也可以這么認(rèn)為，一個(gè)NandFlash地址的src_addr[7,0]是它的column_addr，addr[25,9]是它的PageAddress。(注意地址位src_addr[8]并沒有出現(xiàn)，也就是addr[8]被忽略，在下面你將了解到這是什么原因)

Read1命令的操作發(fā)送完讀命令00h或01h（00h與01h的區(qū)別請見下文描述）之后將分4個(gè)Cycle發(fā)送參數(shù)，1st.Cycle是發(fā)送ColumnAddress。2nd.Cycle,3rd.Cycle和4th.Cycle則是指定PageAddress（每次向地址寄存器發(fā)送的數(shù)據(jù)只能是8位，所以17位的PageAddress必須分成3次進(jìn)行發(fā)送。

Read1的命令里面出現(xiàn)了兩個(gè)命令選項(xiàng)，分別是00h和01h。這里出現(xiàn)了兩個(gè)讀命是否令你意識到什么呢？是的，00h是用于讀寫1sthalf的命令，而01h是用于讀取2ndhalf的命令?，F(xiàn)在我可以結(jié)合上圖給你說明為什么K9F1208U0B的DataField被分為2個(gè)half了。

如上文我所提及的，Read1的1st.Cycle是發(fā)送ColumnAddress，假設(shè)我現(xiàn)在指定的ColumnAddress是0，那么讀操作將從此頁的第0號Byte開始一直讀取到此頁的最后一個(gè)Byte(包括SpareField)，如果我指定的ColumnAddress是127，情況也與前面一樣，但不知道你發(fā)現(xiàn)沒有，用于傳遞ColumnAddress的數(shù)據(jù)線有8條（I/O0-I/O7，對應(yīng)addr[7,0]，這也是addr[8]為什么不出現(xiàn)在我們傳遞的地址位中），也就是說我們能夠指定的ColumnAddress范圍為0-255，但不要忘了，1個(gè)Page的DataField是由512個(gè)Byte組成的，假設(shè)現(xiàn)在我要指定讀命令從第256個(gè)字節(jié)處開始讀取此頁，那將會發(fā)生什么情景？我必須把ColumnAddress設(shè)置為256，但ColumnAddress最大只能是255，這就造成數(shù)據(jù)溢出。正是因?yàn)檫@個(gè)原因我們才把DataField分為兩個(gè)半?yún)^(qū)，當(dāng)要讀取的起始地址（ColumnAddress）在0-255內(nèi)時(shí)我們用00h命令，當(dāng)讀取的起始地址是在256-511時(shí)，則使用01h命令.假設(shè)現(xiàn)在我要指定從第256個(gè)byte開始讀取此頁，那么我將這樣發(fā)送命令串。
column_addr=256;
NF_CMD=0x01;從2ndhalf開始讀取
NF_ADDR=column_addr&0xff;1stCycle
NF_ADDR=page_address&0xff;2nd.Cycle
NF_ADDR=(page_address>>8)&0xff;3rd.Cycle
NF_ADDR=(page_address>>16)&0xff;4th.Cycle

NF_CMD=0x30;

事實(shí)上，當(dāng)NF_CMD=0x01時(shí)，NANDFlash地址寄存器中的第8位（A8）將被設(shè)置為1（如上文分析，A8位不在我們傳遞的地址中，這個(gè)位其實(shí)就是硬件電路根據(jù)01h或是00h這兩個(gè)命令來置高位或是置低位），這樣我們傳遞column_addr的值256隨然由于數(shù)據(jù)溢出變?yōu)?，但A8位已經(jīng)由于NF_CMD=0x01的關(guān)系被置為1了。這8個(gè)位所表示的正好是256，這樣讀操作將從此頁的第256號byte（2ndhalf的第0號byte）開始讀取數(shù)據(jù)。

在對NANDFlash進(jìn)行任何操作之前，NANDFlash必須被初始化。向NandFlash的命令寄存器和地址寄存器發(fā)送完以上命令和參數(shù)之后,我們就可以從rNFDATA寄存器(NandFlash數(shù)據(jù)寄存器)讀取數(shù)據(jù)了.
我用下面的代碼進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取.
for(i=column_addr;i<512;i++)
{
*buf++=NF_RDDATA();
}

每當(dāng)讀取完一個(gè)Page之后,數(shù)據(jù)指針會落在下一個(gè)Page的0號Column(0號Byte).

存儲操作特點(diǎn)：
1.擦除操作的最小單位是塊。
2.NandFlash芯片每一位(bit)只能從1變?yōu)?，而不能從0變?yōu)?wbr />1，所以在對其進(jìn)行寫入操作之前要一定將相應(yīng)塊擦除(擦除即是將相應(yīng)塊得位全部變?yōu)?wbr />1).
3.OOB部分的第六字節(jié)(即517字節(jié))標(biāo)志是否是壞塊，如果不是壞塊該值為FF，否則為壞塊。
4.除OOB第六字節(jié)外，通常至少把OOB的前3個(gè)字節(jié)存放NandFlash硬件ECC碼(關(guān)于硬件ECC碼請參看Nandflash控制器一節(jié)).

重要芯片引腳功能
I/O0-I/O7：復(fù)用引腳。可以通過它向nandflash芯片輸入數(shù)據(jù)、地址、nandflash命令以及輸出數(shù)據(jù)和操作狀態(tài)信息。
CLE(CommandLatchEnable):命令鎖存允許
ALE(AddressLactchEnable):地址鎖存允許
-CE:芯片選擇
-RE:讀允許
-WE:寫允許
-WP:在寫或擦除期間，提供寫保護(hù)
R/-B:讀/忙輸出

NandFlash控制器中的硬件ECC介紹

ECC產(chǎn)生方法

ECC是用于對存儲器之間傳送數(shù)據(jù)正確進(jìn)行校驗(yàn)的一種算法，分硬件ECC和軟件ECC算法兩種，在S3C2440的NandFlash控制器中實(shí)現(xiàn)了由硬件電路（ECC生成器）實(shí)現(xiàn)的硬件ECC。

ECC生成器工作過程
當(dāng)寫入數(shù)據(jù)到Nandflash存儲空間時(shí)，ECC生成器會在寫入數(shù)據(jù)完畢后自動生成ECC碼，將其放入到ECC0－ECC2。當(dāng)讀出數(shù)據(jù)時(shí)NandFlash同樣會在讀數(shù)據(jù)完畢后，自動生成ECC碼將其放到ECC0－ECC2當(dāng)中。

ECC的運(yùn)用

當(dāng)寫入數(shù)據(jù)時(shí)，可以在每頁寫完數(shù)據(jù)后將產(chǎn)生的ECC碼放入到OOB指定的位置(Byte6)去，這樣就完成了ECC碼的存儲。這樣當(dāng)讀出該頁數(shù)據(jù)時(shí)，將所需數(shù)據(jù)以及整個(gè)OOB讀出，然后將指定位置的ECC碼與讀出數(shù)據(jù)后在ECC0－ECC1的實(shí)際產(chǎn)生的ECC碼進(jìn)行對比，如果相等則讀出正確，若不相等則讀取錯(cuò)誤需要進(jìn)行重讀。

　　操作命令字介紹

操作NAND　FLASH時(shí)，先傳輸命令，接著輸出地址，最后讀/寫數(shù)據(jù)，期間還要檢查FLASH的狀態(tài)。具體的命令字見下表。

　　1、Read命令字為00h，30h。

　　如上圖，當(dāng)發(fā)出00h命令后，接著4個(gè)字節(jié)的地址序列，然后再發(fā)出30h命令，接著，就可以讀出數(shù)據(jù)了，當(dāng)發(fā)送完30h后，可以檢測R/B引腳看是否準(zhǔn)備好了，如果準(zhǔn)備好，就可以讀出數(shù)據(jù)。

　　2、Reset

　　命令字：FFh

　　當(dāng)向芯片發(fā)送FFh命令時(shí)，可以復(fù)位芯片，如果芯片正在處于讀、寫、擦除狀態(tài)，復(fù)位命令會終止這些命令。

3、Page Program

　　命令字：80h，10h.

　　NAND　FLASH的寫操作一般是以頁為單位進(jìn)行的，因此才會叫Page Program，但是也支持一個(gè)字以上的（包括一個(gè)字）連續(xù)寫操作。開始發(fā)出80h命令，接著發(fā)送5個(gè)字節(jié)的地址序列，然后向FLASH發(fā)送數(shù)據(jù)，最大為一頁大小，最后發(fā)送10h命令啟動燒寫，此時(shí)FLASH內(nèi)部會自動完成寫、校驗(yàn)操作。發(fā)送10h后，可以通過讀狀態(tài)命令70h（見下文）獲知寫操作是否完成，是否成功。

4、Copy-Back Program

　　命令字：00h、8Ah、10h.

　　此命令用于將一頁復(fù)制到同一層的另外一頁，它省去了讀出數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)重新載入FLASH的過程，使得效率大大提高。

　　關(guān)于層：NAND　FLASH有層的概念，K9F2G08分為兩層，每層包括了1024個(gè)塊，如下圖，因此上面的命令表中才會有two-plane的命令，這些命令可以使得在兩個(gè)層間完成操作，這樣程序員就很方便的使用一個(gè)命令完成更多的操作，其命令格式和單層操作的類似，詳見手冊。但K9F2G08R0A不支持兩層命令。

　　上圖清晰的告訴我們，開始發(fā)送00h和源地址，當(dāng)發(fā)送35h之后，芯片將一頁大小的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部寄存器，接著，我們發(fā)送85h和目的地址序列，最后發(fā)送10h啟動。最后，我們可以使用70h/7Bh檢測是否完成，是否成功。

　　5、Block Erase

　　命令字：60h、D0h

　　擦除操作是以塊為單位的，也就是128K。開始發(fā)出60h，然后發(fā)出3個(gè)地址序列僅行地址，最好發(fā)出D0h。具體操作，如下圖。

　　6、Read　Status

　　 命令字：70h

　　 讀狀態(tài)命令可以讀出芯片的狀態(tài)寄存器，查看是否讀、寫操作是否完成、是否成功。具體的狀態(tài)見下圖。

　　S3C2440的NAND　FLASH控制器介紹

　　看了上面的命令時(shí)序圖，大家肯定認(rèn)為對NAND　FLASH的操作比較復(fù)雜，因此S3C2440為了簡化操作，為我們提供了幾個(gè)寄存器，比如NFCMD寄存器，就是NAND　FLASH命令寄存器，如果我們需要讀命令，直接向此寄存器寫00h、30h即可。

　　基本操作步驟：

　　1.設(shè)置NFCONF和NFCONT寄存器，配置NAND　FLASH；

　　2.向NFCMD寄存器寫入命令；

　　3.向NFADDR寄存器寫入地址；

　　4.讀/寫數(shù)據(jù)，通過NFSTAT檢測NAND　FLASH的狀態(tài)，讀R/nB信號以確定是否完成操作，是否成功。

　　主要寄存器：

　　(NFCONF)

　　配置寄存器，設(shè)置NAND　FLASH的時(shí)序參考TACLS、TWRPH0、TWRPH1，這三個(gè)參數(shù)見下面時(shí)序圖；設(shè)置位寬度；還包括一些只讀位，用來批示是否支持其它大小的頁。

　　TACLS：表示CLT/ALE的建立時(shí)間(setup time)。

　　TWRPH0：表示CLE/ALE的持續(xù)時(shí)間。

　　TWRPH1：表示CLE/ALE的維持時(shí)間(hold time)。

NFCONT

　　用來使能/禁止NAND　FLASH控制器、使能/禁止控制引腳信號nFCE、初始化ECC。

　　NFCMD

　　命令寄存器，用來向其寫入命令。

　　NFADDR

　　地址寄存器，用來向其寫入地址。

　　NFDATA

　　數(shù)據(jù)寄存器，用來讀、寫數(shù)據(jù)使用，只用到8位。

　　NFSTAT

　　狀態(tài)寄存器，只用到一位，0：busy；1：ready。

　　 NFECC

　　校驗(yàn)寄存器，ECC 校驗(yàn)寄存器

　　NAND　FLASH的操作（以讀為例）

　　1、設(shè)置NFCONF和NFCONT

　　NFCONF主要是設(shè)置TACLS、TWRPH0、TWRPH1三個(gè)時(shí)間參數(shù)。根據(jù)手冊的參數(shù)表，見下圖：

　　三個(gè)參數(shù)只有最小值　MIN，沒有最大值，因此，只要參數(shù)大于表格中的數(shù)即可，這里涉及時(shí)鐘的一些概念，這里直接將參數(shù)告訴大家：

　　TACLS=1；TWRPH0=4；TWRPH1=0。

　　NFCONT設(shè)置為：NFCONT=（1<<4）|（1<<1）|（1<<0）　表示使能NAND　FLASH控制器、禁止控制引腳信號nFCE、初始化ECC。