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NAND Flash控制器访问NAND Flash的方法

 cici5177 2010-10-19

本章目标:

1)        了解NAND Flash芯片的接口

2)        掌握通过NAND Flash控制器访问NAND Flash的方法

 

u       Flash介绍

       常用的Flahs类型有NOR FlashNAND Flash两种。NOR FlashIntel公司在1988年发明,以替代当时在市场上占据主要地位的EPROME2PROMNAND FlashToshiba公司在1989年发明的。

       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,但是擦除和写操作的效率非常低。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,并且容量更大。一般页言,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 - 128KBNAND 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块仅需要2msNOR Flash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——特别是小文件,比如一个文件只有1KB,但是为了保存它却需要擦除大小为64KB-128KBNOR 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 Flash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可以节省更多的空间。

       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的数据错误(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代码或数据上时,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和恢复措施。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上会有坏块随机分布,在使用前需要将坏块扫描出来,确保不再使用它们,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100000次左右,是NOR Flash10倍。另外,因为NAND Flashr的块大小通常是NOR Flash1/8,所以NAND Flash的寿命远远超过NOR Flash

       嵌入式LinuxNORNAND 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。

 

u       NAND Flash访问方法

       K9F1208U0M容量为528Mbit,分为131072行(页)、528列,每一页大小为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、数据都是通过8I/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、地址和数据时,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。K9F1208U0M64MB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。

       NAND FlashS3C2410/S3C2440的连线比较少,8I/O引脚(IO0 - IO7)、5个使能信号(nWEALECLEnCEnRE)、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8I/O引脚传输。写地址,数据、命令时,nCEnWE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。

       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8.28.3所示。

       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,所以必须辅以其它手段才能完全寻址这528字节。将一页分为ABC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00h50h会让访问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区的数据时,必须在发出命令80h之前发出命令00h50h;写B区的数据时,发出命令01h后必须紧接着就发出命令80h

 

u       下面讲解表8.2的命令字

1Read 1:命令字为00h01h

       发出命令00h01h后,就选定了读操作是从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00h01h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设定为1

       发出命令字后,依据表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,就可以发起读操作依次读入数据。

2Read 2:命令字为50h

       Read 1命令字类似,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。

3Read ID:命令字为90h

       发出命令字90h,发出4个地址序列(都设定为0),然后就可以连续读入5个数据,分别表示厂商代码(对一SAMSUNG公司为Ech)、设备代码(对于K9F1208U0M76h)、保留的字节(对于K9F1208U0MA5h)、多层操作代码(C0h表示支持多层操作)。

4Reset:命令字为FFh

       发出命令字FFh即可以复位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。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      

5Page Program(True):命令字分两个阶段,80h10h

       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),然后就可以通过读状态命令70h获知当前写操作是否完成、是否成功。

6Page Program(Dummy):命令字分两阶段,80h11h

       NAND Flash K9F1208U0M分为4 128Mbit的存储层(plane),每个存储层包含1024block528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。

       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。

       发出命令字80h4个地址序列及最多528字节的数据之后,发出命令字11h11h称为“Dummy Page Program command”,相对地,10h被称为“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获知这些写操作是否完成、是否成功。

7Copy-Back Program(True):命令字分为3个阶段,00h8Ah10h

       此命令用于将一页复制到同一层(plane)内的另一页,它省略了读出数据源,新数据重新载入Flash,这使得效率大为提高。此命令有两个限制:源页、目的页必须在同一个层(plane)中,并且源地址、目的地址的A14A15必须相同。

       首先发出命令Read 1(00h)4个源地址序列,此时源页的528字节数据很快就被读入内部寄存器中;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。

8Copy-Back Program(Dummy):命令字分3个阶段,03h8Ah11h

       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。

       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;对于随后的其它plane的源页,发出命令字03h的相应的源页地址将数据读入该plane的寄存器;按照前面说明读出最多4个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。

9Block Erase:命令字分3个阶段,60hD0h

       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,并且A9 - A13被忽略。

10Multi-Plane Block Erase60h ------60h D0h

       此命令用于同时擦除不同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4block地址,最后发出命令字D0h启动擦除操作。

11)读状态命令有以下两种:

1Read Status:命令字为70h

2Read Multi-P;ane Status:命令字为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。

 

u       S3C2410/S3C2440 NAND Flash控制器介绍

       NAND Flash控制器提供几个寄存器来简化对NAND Flash的操作,比如要发出读命令时,只需要往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;需要使用各种使能信号来分辨是命令、地址还是数据。S3C2410NAND Flash控制器提供了NFCONFNFCMDNFADDRNFDATANFSTATNFECC6个寄存器来简化这些操作。S3C2440NAND Flash控制器则提供了NFCONFNFCONTNFCMMDNFADDRNFDATANFSTAT和其它与ECC有关的寄存器。对NAND Flash控制器的操作,S3C2410S3C2440有一些小的差别:有些寄存器不一样,有些寄存器内容不一样,这在实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S3C2440,还要设置NFCONT)寄存器,配置NAND Flash

2)向NFCMD寄存器写入命令,这些命令可以参考表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。

       下面讲解这些寄存器的功能和用法:

1NFCONFNAND Flash配置寄存器

这个寄存器在S3C2410S3C2440上功能有所不同。

S3C2410NFCONF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。

2NFCONTNAND Flash控制寄存器,S3C2410没有这个寄存器。

被用来使能/禁止NAND Flash控制寄存器,使能/禁止控制引脚信号nFCE、初始化ECC。它还有其它功能,在一般的应用中用不到,比如锁定NAND Flash

3NFCMDNAND Flash命令寄存器

对于不同型号的Flash,操作命令一般不一样。对于本板使用的K9F1208U0M,可参考表8.2

4NFADDRNAND Flash地址寄存器。

当写这个寄存器时,它将对Flash发出地址信号。

5NFDATANAND Flash数据寄存器。

只用到低8位,读、写此寄存器将启动对NAND Flash的读数据、写数据操作。

6NFSTATNAND Flash状态寄存器

只用到位00busy1ready

 

u       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。

       NAND Flash的步骤,假设读地址为addr

1)设置NFCONF(对于S3C2440,还要设置NFCONT

本章实例中设为0x9830——使能NAND Flash控制器、初始化ECCNAND Flash片选信号nFCE=1(inactive,真正使用时再让它等于0),设置TACLS = 0TWRPH0 = 3TWRPH1 = 0。这些时序参数的含义为:TSCLS=1HCLK时钟,TWRPH0 = 4HCLK时钟,TWRPH1=1HCLK时钟。

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