深入理解nandflash基本特性

yliu277 2023-03-30 发布于湖北

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nandflash作为嵌入式中的”磁盘”, 被广泛的应用, 以(K9F2G08U0B)为例，其他型号都差不多

nandflash的结构

nandflash的结构有页(page), block(块)的概念，其中页是真实概念，而块儿是虚拟概念(目的是为了更好的管理存储空间)
page: 一个page大小为2K 64bytes，如上图所示,其中的64bytes是所在页的infomation, 记录着此页的使用情况,比如剩余存空间等
block: 一个block由64个页组成, 一个nandflash芯片由2k个block组成,算算就知道，一个nandflash芯片一共能存储256M的数据.
nandflash的引脚说明
nandflash与2440的连接

由上连接图可以看出,ALE,CLE这种信号其实就是2440的GPIO(体现了管脚复用的功能)
注意,与nandflash的数据传输接口就只有IO0->IO7这8根并行的数据线,所以我们发送读命令还是写命令还是地址，都是通过这8跟先发出的,具体情况如下分析
nandflash的读操作，先给出时序图（datasheet）,之后在分析

首先我们先看一下读取nandflash需要一个什么样的周期
1.首先发命令 00H(读命令)
2.发送地址
3.发送地址
4.发送命令 30H(读命令)
5.忙等待
6.读取数据
从数据手册上来看，对于命令代表的意义如下图所示

我们看到,读命令确实要发两次,那么为什么要这么操作呢？这其实根据nandflash的硬件来定的,第一次发读命令是把读取的命令放到nandflash的IO BUFFers这个硬件中，之后再发一次读命令才真正的把命令写入nandflash中，这样做的好处是为了降低页的写入时间
根据时序图看过程1
我们通过IO1–>IO7来发送读命令,此时nandflash如何区分到底是命令,地址,还是数据呢？
很简单: 拉高CLE, 拉低ALE ,之后拉低WE，把命令00H放到I/O总线上,当WE由电平至高电平转变时，发生锁存，nandflash获取读命令
这个过程要注意的是: 拉高CLE是为了锁存使能，也就是WE上升沿的时候可以锁存成功从而使nandflash获取命令数据,ALE拉低是为了告诉nandflash此时发的是命令数据
根据时序图看过程2
我们通过IO1–>IO7来发送地址

上图即我们需要传送地址的顺序，我们通过时序图发现要传送5次(5个周期)地址,每次的格式如上图所示,接着分析, 当拉低CLE，拉高ALE即认为开始发送地址信息, 之后拉低WE，将地址信息放到总线上，之后WE上升沿锁存，nandflash获取地址信息
之后的分析过程相信自己就能分析了，
注意:
1.根据ALE与CLE的变化来区分总线IO1->IO7上的数据type
2.关于地址说明:大多nandflash是以页为单位进行读取或者写入的，以K9F2G08U0B为例子，读取一次数据最小就是2k(一页的数据量)的数据量，这是由硬件特性决定的，但不是绝对的，比如K9F2G08U0C这一款的nandflash支持页内的地址访问，所以我们在写nandflash底层读写函数都应该以页为单位进行读写
3.写nandflash时，需要先擦除存储单元, 之后在向存储单元写入数据,要注意的是，nandflash擦除是以block为单位,也就是说一次最少要擦除1个block即64页的数据, 这也是硬件的限制，至于为什么要擦除？是因为硬件的原因，使得nandflash只能写入0，不能写1，所以擦除是为了让存储单元都变为1
对于发送的地址要进行一个问题的讲解

上图中A0—>A11为Column Address,对应的是页内的偏移,问题来了, 一个页为2k大小,理论上A0->A10就可以了，那么为什么多出个A11呢？别忘了，一个页上除了2k大小的地方，还有个64Bytes的地方，要访问它的话，A0->A10地方不够不是,所以多出了个A11,当A11为0时，nandflash也不会理会这个ECC空间(64Bytes) 剩下的A12–>A28为页索引,因为一个块有64个页，所以我们把A12->A17定为页索引, A18->A28定为块索引,其对应关系如下图：
这个图很容易被人误导，
比如我要发送读取nandflash 4096这个地址的数据, 换句话讲，应该是nandflash 4k数据后开始的数据，应该是第三个页的数据(即第2页，因为一个页大小为2k),所以将地址传入认为
第一周期应该发送：A0-A7 —>00
第二周期应该发送：A8-A11 —>00
第三周期应该发送：A12-A19 —>01
第四周期应该发送：A20-A27—->00
第五周期应该发送：A28———>00

即上图中错误认为的情况，因为在我们的角度看来，是不存在A11的，所以应该是图中下面表示正确的情况(黄色为4096的2进制)，或许说到这里大家还是似懂非懂，那我们在简单一点，比如从2049这个地址上取数据，在我们看来，应该是从第1页开始取数据，但是站在nandflash发送地址周期的角度上看，其实是访问第0页的地址(因为有A11为1，即访问64Bytes的范围),也就是说如果把2049严格按照发送周期送地址的话其实访问的是第0页64Bytes范围中了，这不是我们所希望的，所以我们要把2049这个地址变成第1页开始的地方，怎么办呢？将A11位至0，之后向后串一位即可.上图可以慢慢体会
总结:
此 Nand Flash 地址周期共有 5 个,2 个列(Column),3个行(Row)周期,而对于对应地,我们可以看出,实际上,列地址 A0~A10,就是页内陆址,地址范围是从0 到2047,而对出的 A11,理论上可以表示 2048~4095,但是实际上,我们最多也只用到了2048~2011, 用于表示页内的oob区域,其大小是 64 字节。对应地,A12~A28,称作页号,页的号码,可以定位到具体是哪一个页。而其中,A18~A28,表示对应的块号,即属于哪个块。


我们写程序发送地址的时候是这样写的：
..........
unsigned int col_add = addr & 0x7ff; //A0-->A10(column Address)
unsigned int raw_add = (addr >> 11)&0x1ffff; //A11-->A28(页索引)
NFADDR = col_add & 0xff; //A0-A7 8位 
NFADDR = (col_add >> 8) & 0x7; //a11为0 A8-A11 3位
NFADDR = raw_add & 0xff; 
NFADDR = (raw_add >> 8) & 0xff;
NFADDR = (raw_add >> 16) & 0x1;
.....
..

在这里有些人感觉很奇怪，表格里rows明明是从A12开始的可是程序里raw_add= (addr >> 11)&0x1ffff，只向由移11位，不是应该addr >> 12吗？
最关键的地方到了，你别忘了，我们在存放数据的时候，数据里面不包括ECC信息，也就是说在我们自己看来nandflash页大小就是2K。比如说我往nand的0x0地址存了0x800(2KB)大小数据，接下来，如果我们再存数据就继续从0x800的地址开始存，在这里你跳过前一页的ECC部分了吗？很明显没有，理论上前一页占了0x1000(4KB)大小，我们应该从0x1000开始存接下的数据，可是，我们实际上不会这么干，我们忽略ECC占的空间，我们认为一页大小就是2KB。

所以在我们看来nandflash地址就是这样的：
nand地址=(rows：A27-A11)(columns：A10-A0)
接受到地址后，在发送地址时，我们是这么干的，把A0-A10取出来，再添上一位A11=0，，然后把A11-A27取出来，对应A12-A28发过去，这样就实现了在发送地址时跳过每一页的ECC部分，但在用户看来每一页大小还是2KB，这里有些绕，但是好好想一想还是能想清楚的。实在理解不了可以这么想,地址2049，应该是第1页开始地址，如果要访问第1页开始的地址，那么地址如何发？所以转换关系为: 2096—>第1页开始—>转换为5个周期地址