S3C2440对Nand_Flash的基本操作.doc

S3C2440对Nand Flash操作和电路原理K9F2G08U0AS3C2440内部集成了一个Nand flash控制器。S3C2440的Nand flash控制器包含了如下的特性：l 一个引导启动单元l Nand Flash存储器接口，支持8位或16位的每页大小为256字，512字节，1K字和2K字节的Nand flashl 软件模式：用户可以直接访问Nand Flash存储器，此特性可以用于Nand Flash 存储器的读、擦除和编程。l S3C2440支持8/16位的Nand Flash存储器接口总线l 硬件ECC生成，检测和指示(软件纠错)。l Steppingstone接口，支持大/小端模式的按字节/半字/字访问。我用的开发板是天嵌的TQ2440，板子用到的Nand Flash是Samsung公司的K9F2G08U0A，它是8位的Nand flash。本文只介绍Nand Flash的电路原理和Nand Flash的读、写、擦除等基本操作，暂不涉及Nand Flash启动程序的问题。Nand Flash的电路连接如图 1所示：图 1 Nand Flash电路原理上图的左边为K9F2G08U0A与2440的连接图，原理方面就不多介绍，去看看datasheet估计就懂得了，右边的部分是S3C2440的Nand控制器的配置。配置引脚NCON，GPG13，GPG14和GPG15用来设置Nand Flash的基本信息，Nand控制器通过读取配置引脚的状态获取外接的Nand Flash的配置信息，图 2是这四个配置引脚的定义：图 2 Nand控制配置引脚信息 由于K9F2G08U0A的总线宽度为8位，页大小为2048字节，需要5个寻址命令，所以NCON、GPG13和GPG14应该接高电平，GPG15应该接低电平。K9F2G08U0A没有地址或数据总线，只有8个IO口，这8个IO口用于传输命令、地址和数据。K9F2G08U0A主要以page（页）为单位进行读写，以block（块）为单位进行擦除。每一页中又分为main区和spare区，main区用于正常数据的存储，spare区用于存储一些附加信息，如块好坏的标记、块的逻辑地址、页内数据的ECC校验和等。K9F2G08U0A的存储阵列如图 3所示：图 3 K9F2G08U0A内部存储阵列由上图，我们可以知道：K9F2G08U0A的一页为（2K64）字节（2K表示的是main区容量， 64表示的是spare区容量），它的一块为64页，而整个设备包括了2048个块。这样算下来一共有2112M位容量，如果只算main区容量则有256M字节（即256M8位）。图 4 K9F2G08U0A地址序列要实现用8个IO口来要访问这么大的容量，如图 4所示：K9F2G08U0A规定了用5个周期来实现。第一个周期访问的地址为A0A7；第二个周期访问的地址为A8A11，它作用在IO0IO3上，而此时IO4IO7必须为低电平；第三个周期访问的地址为A12A19；第四个周期访问的地址为A20A27；第五个周期访问的地址为A28，它作用在IO0上，而此时IO1IO7必须为低电平。前两个周期传输的是列地址，后三个周期传输的是行地址。通过分析可知，列地址是用于寻址页内空间，行地址用于寻址页，如果要直接访问块，则需要从地址A18开始。由于所有的命令、地址和数据全部从8位IO口传输，所以Nand flash定义了一个命令集来完成各种操作。有的操作只需要一个命令（即一个周期）即可，而有的操作则需要两个命令（即两个周期）来实现。K9F2G08U0A的命令说明如图 5所示：图 5 K9F2G08U0A命令表为了方便使用，我们宏定义了K9F2G08U0A的常用命令#define CMD_READ10x00 /页读命令周期1#define CMD_READ20x30 /页读命令周期2#define CMD_READID 0x90 /读ID命令#define CMD_WRITE1 0x80 /页写命令周期1#define CMD_WRITE2 0x10 /页写命令周期2#define CMD_ERASE1 0x60 /块擦除命令周期1#define CMD_ERASE2 0xd0 /块擦除命令周期2#define CMD_STATUS0x70 /读状态命令#define CMD_RESET0xff /复位#define CMD_RANDOMREAD1 0x05 /随意读命令周期1#define CMD_RANDOMREAD2 0xE0 /随意读命令周期2#define CMD_RANDOMWRITE 0x85 /随意写命令接下来介绍几个Nand Flash控制器的寄存器。Nand Flash控制器的寄存器主要有NFCONF（Nand Flash配置寄存器），NFCONT（Nand Flash控制寄存器），NFCMMD（Nand Flash命令集寄存器），NFADDR（Nand Flash地址集寄存器），NFDATA（Nand Flash数据寄存器），NFMECCD0/1（Nand Flash的main区ECC寄存器），NFSECCD（Nand Flash的spare区ECC寄存器），NFSTAT（Nand Flash操作状态寄存器），NFESTAT0/1（Nand Flash的ECC状态寄存器），NFMECC0/1（Nand Flash用于数据的ECC寄存器），以及NFSECC（Nand Flash用于IO的ECC寄存器）。 （1）NFCONF:2440的NFCONF寄存器是用来设置NAND Flash的时序参数TACLS、TWRPH0、TWRPH1。配置寄存器的3:0是只读位，用来指示外部所接的Nand Flash的配置信息，它们是由配置引脚NCON，GPG13，GPG14和GPG15所决定的（比如说K9F2G08U0A的配置为NCON、GPG13和GPG14接高电平，GPG15接低电平，所以3:0位状态应该是1110）。（2）NFCONT：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）NFCMMD：对于不同型号的Flash，操作命令一般不一样。参考前面介绍的K9F2G08U0A命令序列。（4）NFADDR:当写这个寄存器时，它将对Flash发出地址信号。只用到低8位来传输，所以需要分次来写入一个完整的32位地址，K9F2G08U0A的地址序列在图4已经做了详细说明。（5）NFDATA: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。（6）NFSTAT:只用到位0，用来检测NAND是否准备好。0：busy，1：ready。NFCONF寄存器使用TACLS、TWRPH0、TWRPH1这3个参数来控制NAND Flash信号线CLE/ALE与写控制信号nWE的时序关系，它们之间的关系如图6和图7所示：图6 CLE/ALE时序图图7 nWE和nRE时序图TACLS为CLE/ALE有效到nWE有效之间的持续时间，TWRPH0为nWE的有效持续时间，TWRPH1为nWE无效到CLE/ALE无效之间的持续时间，这些时间都是以HCLK为单位的。通过查阅K9F2G08U0A的数据手册，我们可以找到并计算与S3C2440相对应的时序：K9F2G08U0A中的Twp与TWRPH0相对应，Tclh与TWRPH1相对应， TACLS应该是与Tcls相对应。K9F2G08U0A给出的都是最小时间， 2440只要满足它的最小时间即可。TACLS、TWRPH0、TWRPH1这三个变量取值大一些会更保险，在这里，这三个值分别取1，2和0。下面就开始详细介绍K9F2G08U0A的基本操作，包括复位，读ID，页读、写数据，随意读、写数据，块擦除等。为了更好地应用ECC和使能Nand Flash片选，我们还需要一些宏定义：#define NF_nFCE_L()rNFCONT &= (11); #define NF_CE_L()NF_nFCE_L()/打开nandflash片选#define NF_nFCE_H()rNFCONT |= (11); #define NF_CE_H() NF_nFCE_H() /关闭nandflash片选#define NF_RSTECC()rNFCONT |= (14); /复位ECC#define NF_MECC_UnLock()rNFCONT &= (15); /解锁main区ECC#define NF_MECC_Lock()rNFCONT |= (15); /锁定main区ECC#define NF_SECC_UnLock() rNFCONT &= (16); /解锁spare区ECC#define NF_SECC_Lock()rNFCONT |= (16); /锁定spare区ECCNFSTAT是另一个比较重要的寄存器，它的第0位可以用于判断nandflash是否在忙，第2位用于检测RnB引脚信号：#define NF_WAITRB()while(!(rNFSTAT & (10) ) ); /等待Nand Flash不忙#define NF_CLEAR_RB()rNFSTAT |= (12); /清除RnB信号#define NF_DETECT_RB()while(!(rNFSTAT&(12); /等待RnB信号变高，即不忙NFCMMD，NFADDR和NFDATA分别用于传输命令，地址和数据，为了方便起见，我们可以定义一些宏定义用于完成上述操作：#define NF_CMD(data) rNFCMD = (data); /传输命令#define NF_ADDR(addr)rNFADDR = (addr); /传输地址#define NF_RDDATA() （rNFDATA) /读32位数据#define NF_RDDATA8()(rNFDATA8)/读8位数据#define NF_WRDATA(data)rNFDATA = (data); /写32位数据#define NF_WRDATA8(data) rNFDATA8 = (data); /写8位数据首先，是初始化操作void rNF_Init(void)rNFCONF = (TACLS12)|(TWRPH08)|( TWRPH14)|(00);/初始化时序参数rNFCONT = (013)|(012)|(010)|(09)|(08)|(16)|(15)|(14)|(11)|(10); /非锁定，屏蔽nandflash中断，初始化ECC及锁定main区和spare区ECC，使能nandflash控制器，禁止片选rNF_Reset();/复位芯片复位操作，写入复位命令static void rNF_Reset()NF_CE_L();/打开nandflash片选NF_CLEAR_RB();/清除RnB信号NF_CMD(CMD_RESET); /写入复位命令NF_DETECT_RB();/等待RnB信号变高，即不忙NF_CE_H();/关闭nandflash片选读取K9F2G08U0A芯片ID的操作如下：时序图在datasheet的figure18。首先需要写入读ID命令(0x90)，然后再写入0x00地址，并等待芯片就绪，就可以读取到一共五个周期的芯片ID，第一个周期为厂商ID，第二个周期为设备ID，第三个周期至第五个周期包括了一些具体的该芯片信息，函数如下static char rNF_ReadID() char pMID; char pDID; char cyc3, cyc4, cyc5; NF_nFCE_L();/打开nandflash片选 NF_CLEAR_RB();/清RnB信号 NF_CMD(CMD_READID);/读ID命令 NF_ADDR(0x0); /写0x00地址 for ( i = 0; i 8) & 0xff); /行地址A20-A27NF_ADDR(page_number 16) & 0xff); /行地址A28NF_CMD(CMD_READ2); /页读命令周期2，0x30 NF_DETECT_RB(); /等待RnB信号变高，即不忙 for (i = 0; i 2048; i+) bufi = NF_RDDATA8();/读取一页数据内容NF_MECC_Lock();/锁定main区ECC值NF_SECC_UnLock();/解锁spare区ECC/读spare区的前4个地址内容，即第20482051地址，这4个字节为main区的ECCmecc0=NF_RDDATA();/把读取到的main区的ECC校验码放入NFMECCD0/1的相应位置内rNFMECCD0=(mecc0&0xff00)8)|(mecc0 & 0xff0 000)16); NF_SECC_Lock();/锁定spare区的ECC值/继续读spare区的4个地址内容，即第20522055地址，其中前2个字节为spare区的ECC值secc=NF_RDDATA(); /把读取到的spare区的ECC校验码放入NFSECCD的相应位置内rNFSECCD=(secc&0xff00)6); /判断该块是否为坏块if(temp = 0x33)return 0x42; /是坏块，返回NF_RSTECC(); /复位ECC使能ECCNF_MECC_UnLock();/解锁main区的ECCNF_nFCE_L();/打开nandflash片选NF_CLEAR_RB(); /清RnB信号NF_CMD(CMD_WRITE1); /页写命令周期1/写入5个地址周期NF_ADDR(0x00);/列地址A0A7NF_ADDR(0x00); /列地址A8A11NF_ADDR(page_number) & 0xff);/行地址A12A19NF_ADDR(page_number 8) & 0xff); /行地址A20A27NF_ADDR(page_number 16) & 0xff); /行地址A28for (i = 0; i 8) & 0xff);ECCBuf2=(U8)(mecc016) & 0xff);ECCBuf3=(U8)(mecc024) & 0xff);NF_SECC_UnLock(); /解锁spare区的ECC/把main区的ECC值写入到spare区的前4个字节地址内，即第20482051地址for(i=0;i8) & 0xff);/把spare区的ECC值继续写入到spare区的第20522053地址内for(i=4;i6);/标注该页所在的块为坏块if (temp = 0x21)return 0x43 /表示写操作失败，并且在标注该页所在的块为坏块时也失败elsereturn 0x44; /写操作失败else return 0x66; /写操作成功该段程序先判断该页所在的坏是否为坏块，如果是则退出。在最后写操作失败后，还要标注该页所在的块为坏块，其中所用到的函数rNF_IsBadBlock和rNF_MarkBadBlock，我们在后面介绍。我们再总结一下该程序所返回数值的含义，0x42：表示该页所在的块为坏块；0x43：表示写操作失败，并且在标注该页所在的块为坏块时也失败；0x44：表示写操作失败，但是标注坏块成功；0x66：写操作成功。擦除是以块为单位进行的，因此在写地址周期是，只需写三个行周期，并且要从A18开始写起。与写操作一样，在擦除结束前还要判断是否擦除操作成功，另外同样也存在需要判断是否为坏块以及要标注坏块的问题。下面就给出一段具体的块擦除操作程序：U8 rNF_EraseBlock(U32 block_number)char stat, temp;temp = rNF_IsBadBlock(block_number); /判断该块是否为坏块if(temp = 0x33)return 0x42; /是坏块，返回NF_nFCE_L(); /打开片选NF_CLEAR_RB(); /清RnB信号NF_CMD(CMD_ERASE1); /擦除命令周期1 /写入3个地址周期，从A18开始写起NF_ADDR(block_number 2) & 0xff); /行地址A20A27NF_ADDR(block_number 10) & 0xff); /行地址A28 NF_CMD(CMD_ERASE2); /擦除命令周期2 delay(1000); /延时一段时间 NF_CMD(CMD_STATUS); /读状态命令/判断状态值的第6位是否为1，即是否在忙，该语句的作用与NF_DETECT_RB();相同do stat = NF_RDDATA8();while(!(stat&0x40);NF_nFCE_H(); /关闭Nand Flash片选/判断状态值的第0位是否为0，为0则擦除操作正确，否则错误if (stat & 0x1) temp = rNF_MarkBadBlock(page_number6);/标注该块为坏块 if (temp = 0x21) return 0x43 /标注坏块失败 else return 0x44; /擦除操作失败else return 0x66; /擦除操作成功该程序的输入参数为K9F2G08U0A的第几块，例如我们要擦除第2001块，则调用该函数为：rNF_EraseBlock(2001)K9F2G08U0A除了提供了页读和页写功能外，还提供了页内地址随意读、写功能。页读和页写是从页的首地址开始读、写，而随意读、写实现了在一页范围内任意地址的读、写。随意读操作是在页读操作后输入随意读命令和页内列地址，这样就可以读取到列地址所指定地址的数据。随意写操作是在页写操作的第二个页写命令周期前，输入随意写命令和页内列地址，以及要写入的数据，这样就可以把数据写入到列地址所指定的地址内。下面两段程序实现了随意读和随意写功能，其中随意读程序的输入参数分别为页地址和页内地址，输出参数为所读取到的数据，随意写程序的输入参数分别为页地址，页内地址，以及要写入的数据。U8 rNF_RamdomRead(U32 page_number, U32 add)NF_nFCE_L(); /打开Nand Flash片选NF_CLEAR_RB(); /清RnB信号NF_CMD(CMD_READ1); /页读命令周期1/写入5个地址周期NF_ADDR(0x00); /列地址A0A7NF_ADDR(0x00); /列地址A8A11NF_ADDR(page_number) & 0xff); /行地址A12A19NF_ADDR(page_number 8) & 0xff); /行地址A20A27NF_ADDR(page_number 16) & 0xff); /行地址A28NF_CMD(CMD_READ2); /页读命令周期2NF_DETECT_RB(); /等待RnB信号变高，即不忙NF_CMD(CMD_RANDOMREAD1); /随意读命令周期1/页内地址NF_ADDR(char)(add&0xff); /列地址A0A7NF_ADDR(char)(add8)&0x0f); /列地址A8A11NF_CMD(CMD_RANDOMREAD2); /随意读命令周期2return NF_RDDATA8(); /读取数据U8 rNF_RamdomWrite(U32 page_number, U32 add, U8 dat)U8 temp,stat;NF_nFCE_L(); /打开Nand Flash片选NF_CLEAR_RB(); /清RnB信号NF_CMD(CMD_WRITE1); /页写命令周期1/写入5个地址周期NF_ADDR(0x00); /列地址A0A7NF_ADDR(0x00); /列地址A8A11NF_ADDR(page_number) & 0xff); /行地址A12A19NF_ADDR(page_numb