S3C2440对NandFlash操作和电路原理.doc

S3C2440对Nand Flash操作和电路原理S3C2440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 flash l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(2K+64)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_READ1 0x00/页读命令周期1#define CMD_READ2 0x30/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_STATUS 0x70/读状态命令#define CMD_RESET 0xff/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&=(1 1)；#define NF_CE_L()NF_nFCE_L()/打开nandflash片选#define NF_nFCE_H()rNFCONT|=(1 1)；#define NF_CE_H()NF_nFCE_H()/关闭nandflash片选#define NF_RSTECC()rNFCONT|=(1 4)；/复位ECC#define NF_MECC_UnLock()rNFCONT&=(1 5)；/解锁main区ECC#define NF_MECC_Lock()rNFCONT|=(1 5)；/锁定main区ECC#define NF_SECC_UnLock()rNFCONT&=(1 6)；/解锁spare区ECC#define NF_SECC_Lock()rNFCONT|=(1 6)；/锁定spare区ECC NFSTAT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&(1 0)；/等待Nand Flash不忙#define NF_CLEAR_RB()rNFSTAT|=(1 2)；/清除RnB信号#define NF_DETECT_RB()while(！(rNFSTAT&(1 2)；/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=(TACLS 12)|(TWRPH0 8)|(TWRPH1 4)|(0 0)；/初始化时序参数rNFCONT=(0 13)|(0 12)|(0 10)|(0 9)|(0 8)|(1 6)|(1 5)|(1 4)|(1 1)|(1 0)；/非锁定，屏蔽nandflash中断，初始化ECC及锁定main区和spare区ECC，使能nandflash片选及控制器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 100；i+)；等一段时间/读五个周期的ID pMID=NF_RDDATA8()；/厂商ID：0xEC pDID=NF_RDDATA8()；/设备ID：0xDA cyc3=NF_RDDATA8()；/0x10 cyc4=NF_RDDATA8()；/0x95 cyc5=NF_RDDATA8()；/0x44 NF_nFCE_H()；/关闭nandflash片选return(pDID)；下面介绍Nand Flash读操作，读操作是以页为单位进行的。如果在读取数据的过程中不进行ECC校验判断，则读操作比较简单，在写入读命令的两个周期之间写入要读取的页地址，然后读取数据即可。如果为了更准确地读取数据，则在读取完数据之后还要进行ECC校验判断，以确定所读取的数据是否正确。在上文中已经介绍过，Nand Flash的每一页有两区：main区和spare区，main区用于存储正常的数据，spare区用于存储其他附加信息，其中就包括ECC校验码。当我们在写入数据的时候，我们就计算这一页数据的ECC校验码，然后把校验码存储到spare区的特定位置中，在下次读取这一页数据的时候，同样我们也计算ECC校验码，然后与spare区中的ECC校验码比较，如果一致则说明读取的数据正确，如果不一致则不正确。ECC的算法较为复杂，好在S3C2440能够硬件产生ECC校验码，这样就省去了不少的麻烦事。S3C2440既可以产生main区的ECC校验码，也可以产生spare区的ECC校验码。因为K9F2G08U0A是8位IO口，因此S3C2440共产生4个字节的main区ECC码和2个字节的spare区ECC码。在这里我们规定，在每一页的spare区的第0个地址到第3个地址存储main区ECC，第4个地址和第5个地址存储spare区ECC。产生ECC校验码的过程为：在读取或写入哪个区的数据之前，先解锁该区的ECC，以便产生该区的ECC。在读取或写入完数据之后，再锁定该区的ECC，这样系统就会把产生的ECC码保存到相应的寄存器中。main区的ECC保存到NFMECC0/1中(因为K9F2G08U0A是8位IO口，因此这里只用到了NFMECC0)，spare区的ECC保存到NFSECC中。对于读操作来说，我们还要继续读取spare区的相应地址内容，以得到上次写操作时所存储的main区和spare区的ECC，并把这些数据分别放入NFMECCD0/1和NFSECCD的相应位置中。最后我们就可以通过读取NFESTAT0/1(因为K9F2G08U0A是8位IO口，因此这里只用到了NFESTAT0)中的低4位来判断读取的数据是否正确，其中第0位和第1位为main区指示错误，第2位和第3位为spare区指示错误。下面是一段具体的页读操作程序：U8 rNF_ReadPage(U32 page_number)U32 i,mecc0,secc；NF_RSTECC()；/复位ECC NF_MECC_UnLock()；/解锁main区ECC NF_nFCE_L()；/使能芯片NF_CLEAR_RB()；/清除RnB NF_CMD(CMD_READ1)；/页读命令周期1，0x00/写入5个地址周期NF_ADDR(0x00)；/列地址A0-A7 NF_ADDR(0x00)；/列地址A8-A11 NF_ADDR(addr)&0xff)；/行地址A12-A19 NF_ADDR(addr 8)&0xff)；/行地址A20-A27 NF_ADDR(addr 16)&0xff)；/行地址A28 NF_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 mecc0=NF_RDDATA()；/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ECC/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&0xff)；rNFMECCD1=(mecc0&0xff 000000)8)|(mecc0&0xff0000)16)；NF_SECC_Lock()；/锁定spare区的ECC值secc=NF_RDDATA()；/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/把读取到的spare区的ECC校验码放入NFSECCD的相应位置内rNFSECCD=(secc&0xff00)8)|(secc&0xff)；NF_nFCE_H()；/关闭nandflash片选/判断所读取到的数据是否正确if(rNFESTAT0&0xf)=0x0)return 0x66；/正确else return 0x44；/错误这段程序是把某一页的内容读取到全局变量数组buffer中。该程序的输入参数直接就为K9F2G08U0A的第几页，例如我们要读取第128064页中的内容，可以调用该程序为：rNF_ReadPage(128064)。由于第128064页是第2001块中的第0页(128064=200164+0)，所以为了更清楚地表示页与块之间的关系，也可以写为：rNF_ReadPage(2001*64)。页写操作的大致流程为：在两个写命令周期之间分别写入页地址和数据，当然如果为了保证下次读取该数据时的正确性，还需要把main区的ECC值和spare区的ECC值写入到该页的spare区内。然后我们还需要读取状态寄存器，以判断这次写操作是否正确。下面就给出一段具体的页写操作程序，其中输入参数也是要写入数据到第几页：U8 rNF_WritePage(U32 page_number)U32 i,mecc0,secc；U8 stat,temp；temp=rNF_IsBadBlock(page_number 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 NF_MECC_UnLock()；/解锁main区的ECC NF_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A0A7 NF_ADDR(0x00)；/列地址A8A11 NF_ADDR(page_number)&0xff)；/行地址A12A19 NF_ADDR(page_number 8)&0xff)；/行地址A20A27 NF_ADDR(page_number 16)&0xff)；/行地址A28 for(i=0；i 2048；i+)/写入一页数据NF_WRDATA8(char)(i+6)；NF_MECC_Lock()；/锁定main区的ECC值mecc0=rNFMECC0；/读取main区的ECC校验码/把ECC校验码由字型转换为字节型，并保存到全局变量数组ECCBuf中ECCBuf0=(U8)(mecc0&0xff)；ECCBuf1=(U8)(mecc0 8)&0xff)；ECCBuf2=(U8)(mecc0 16)&0xff)；ECCBuf3=(U8)(mecc0 24)&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；i 4；i+)NF_WRDATA8(ECCBufi)；NF_SECC_Lock()；/锁定spare区的ECC值secc=rNFSECC；/读取spare区的ECC校验码/把ECC校验码保存到全局变量数组ECCBuf中ECCBuf4=(U8)(secc&0xff)；ECCBuf5=(U8)(secc 8)&0xff)；/把spare区的ECC值继续写入到spare区的第20522053地址内for(i=4；i 6；i+)NF_WRDATA8(ECCBufi)；NF_CMD(CMD_WRITE2)；/页写命令周期2 delay(1000)；/延时一段时间，以等待写操作完成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dostat=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则写操作正确，否则错误if(stat&0x1)temp=rNF_MarkBadBlock(page_number 6)；/标注该页所在的块为坏块if(temp=0x21)return 0x43/标注坏块失败else return 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 6)&0xff)；/行地址A18A19 NF_ADDR(block_number 2)&0xff)；/行地址A20A27 NF_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dostat=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_number 6)；/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A0A7 NF_ADDR(0x00)；/列地址A8A11 NF_ADDR(page_number)&0xff)；/行地址A12A19 NF_ADDR(page_number 8)&0xff)；/行地址A20A27 NF_ADDR(page_number 16)&0xff)；/行地址A28 NF_CMD(CMD_READ2)；/页读命令周期2 NF_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A0A7 NF_ADDR(char)(add 8)&0x0f)；/列地址A8A11 NF_CMD(CMD_RANDOMREAD2)；/随意读命令周期2 return NF_RDDATA8()；/读取数据U8 rNF_RamdomWrite(U32 page_num