NAND的资料整理(通俗易懂).docx

NAND的资料整理（通俗易懂）K9F2G08U0A的一页为（2K64）字节（加号前面的2K表示的是main区容量，加号后面的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）。要实现用8个IO口来要访问这么大的容量，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。（2的12次方是4096，并不是2048，这是为什么？个人理解：为了兼容以后更大的NAND，NAND的地址序列可以把“列地址的长度”预留出来，虽说送的是A0-A7，A8-A11，实际取得是A0-A7，A8-A10；（页内地址空间）一共是2048*64=131072页，2的17次方 由于所有的命令、地址和数据全部从8位IO口传输，所以nandflash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。下面的宏定义为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 /随意写命令在这里，随意读命令和随意写命令可以实现在一页内任意地址地读写。读状态命令可以实现读取设备内的状态寄存器，通过该命令可以获知写操作或擦除操作是否完成（判断第6位），以及是否成功完成（判断第0位）。在网上找了一些资料，又结合自己的经历谈一下我对NAND Flash 的了解。S3C2440 板的Nand Flash 支持由两部分组成：Nand Flash 控制器(集成在S3C2440 CPU)和Nand Flash 存储芯片(K9F1208U0B)两大部分组成。当要访问Nand Flash中的数据时,必须通过Nand Flash控制器发送命令才能完成。所以, Nand Flash相当于S3C2440的一个外设,而不位于它的内存地址区.NAND Flash 的数据是以bit 的方式保存在memory cell，一般来说，一个cell 中只能存储一个bit。这些cell 以8 个或者16 个为单位，连成bit line，形成所谓的byte(x8)/word(x16)，这就是NAND Device 的位宽。这些Line 会再组成Page.NandFlash有多种结构，我使用的NandFlash是K9F1208,下面内容针对三星的K9F1208U0M，数据存储容量为64MB，采用块页式存储管理。一共有4096个block（块），每个block有32个page（页），每个page有528Byte。1block=32page,1page=528byte=512byte(MainArea)+16byte(SpareArea)Nandflash以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据。按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址：-BlockAddress-PageAddress-ColumnAddress对于NANDFlash来讲，8个I/O引脚充当数据、地址、命令的复用端口。地址和命令只能在I/O7:0上传递，数据宽度是8位。512byte需要9bit来表示，对于528byte系列的NAND，这512byte被分成1sthalf和2ndhalf,最后16个字节（又称OOB）用于NandFlash命令执行完后设置状态用，各自的访问由地址指针命令来选择，A7:0就是所谓的columnaddress。32个page需要5bit来表示，占用A13:9，即该page在块内的相对地址。Block的地址是由A14以上的bit来表示，例如512Mb的NAND，共4096block，因此，需要12个bit来表示，即A25:14，如果是1Gbit的528byte/page的NANDFlash，则blockaddress用A26:14表示。NANDFlash的地址表示为：BlockAddress|PageAddressinblock|halfpagepointer|ColumnAddress地址传送顺序是ColumnAddress,PageAddress,BlockAddress。由于地址只能在I/O7:0上传递，因此，必须传递多次。例如，对于512Mbitx8的NANDflash，地址范围是0-0x3FFFFFF，只要是这个范围内的数值表示的地址都是有效的。以NAND_ADDR为例：第1步是传递columnaddress，就是NAND_ADDR7:0给相应的寄存器，即可传递到I/O7:0上，而halfpagepointer即bit8是由操作指令决定的，即指令决定在哪个halfpage上进行读写。而真正的bit8的值是dontcare的。第2步就是将NAND_ADDR16:9传到I/O7:0上。第3步将NAND_ADDR24:17放到I/O上。第4步需要将NAND_ADDR25放到I/O上因此，整个地址传递过程需要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，因此寻址只需要3步。下面，就x16（16位）的NANDflash器件稍微进行一下说明。由于一个page的mainarea的容量为256word，仍相当于512byte。但是，这个时候没有所谓的1sthalfpage和2ndhalfpage之分了，所以，bit8就变得没有意义了，也就是这个时候bit8完全不用管，地址传递仍然和x8器件相同。除了，这一点之外，x16的NAND使用方法和x8的使用方法完全相同。正如硬盘的盘片被分为磁道，每个磁道又分为若干扇区，一块nandflash也分为若干block，每个block分为如干page。一般而言，block、page之间的关系随着芯片的不同而不同，典型的分配是这样的：1block=32page1page=512bytes(datafield)+16bytes(oob)需要注意的是，对于flash的读写都是以一个page开始的，但是在读写之前必须进行flash的擦写，而擦写则是以一个block为单位的。同时必须提醒的是，512bytes理论上被分为1sthalf和2sdhalf，每个half各占256个字节。我们讨论的K9F1208U0B总共有4096个Blocks，故我们可以知道这块flash的容量为4096*(32*528)=69206016Bytes=66MB。但事实上每个Page上的最后16Bytes是用于存贮检验码和其他信息用的，并不能存放实际的数据，所以实际上我们可以操作的芯片容量为4096*(32*512)=67108864Bytes=64MB。由上图所示，1个Page总共由528Bytes组成，这528个字节按顺序由上而下以列为单位进行排列（1列代表一个Byte。第0行为第0Byte，第1行为第1Byte，以此类推，每个行又由8个位组成，每个位表示1个Byte里面的1bit）。这528Bytes按功能分为两大部分，分别是DataField和SpareField，其中SpareField占528Bytes里的16Bytes,这16Bytes是用于在读写操作的时候存放校验码用的，一般不用做普通数据的存储区，除去这16Bytes,剩下的512Bytes便是我们用于存放数据用的DataField，所以一个Page上虽然有528个Bytes，但我们只按512Bytes进行容量的计算。读命令有两个，分别是Read1,Read2其中Read1用于读取DataField的数据，而Read2则是用于读取SpareField的数据。对于NandFlash来说，读操作的最小操作单位为Page，也就是说当我们给定了读取的起始位置后，读操作将从该位置开始，连续读取到本Page的最后一个Byte为止（可以包括SpareField）NandFlash的寻址NandFlash的地址寄存器把一个完整的NandFlash地址分解成ColumnAddress与PageAddress.进行寻址。ColumnAddress:列地址。ColumnAddress其实就是指定Page上的某个Byte，指定这个Byte其实也就是指定此页的读写起始地址。PaageAddress：页地址。由于页地址总是以512Bytes对齐的，所以它的低9位总是0。确定读写操作是在Flash上的哪个页进行的。Read1命令当我们得到一个NandFlash地址addr时我们可以这样分解出ColumnAddress和PageAddresscolumn_addr=src_addrQ2;/columnaddresspage_address=(src_addr9);/pageaddress也可以这么认为，一个NandFlash地址的src_addr7,0是它的column_addr，addr25,9是它的PageAddress。(注意地址位src_addr8并没有出现，也就是addr8被忽略，在下面你将了解到这是什么原因)Read1命令的操作发送完读命令00h或01h（00h与01h的区别请见下文描述）之后将分4个Cycle发送参数，1st.Cycle是发送ColumnAddress。2nd.Cycle,3rd.Cycle和4th.Cycle则是指定PageAddress（每次向地址寄存器发送的数据只能是8位，所以17位的PageAddress必须分成3次进行发送。Read1的命令里面出现了两个命令选项，分别是00h和01h。这里出现了两个读命是否令你意识到什么呢？是的，00h是用于读写1sthalf的命令，而01h是用于读取2ndhalf的命令。现在我可以结合上图给你说明为什么K9F1208U0B的DataField被分为2个half了。如上文我所提及的，Read1的1st.Cycle是发送ColumnAddress，假设我现在指定的ColumnAddress是0，那么读操作将从此页的第0号Byte开始一直读取到此页的最后一个Byte(包括SpareField)，如果我指定的ColumnAddress是127，情况也与前面一样，但不知道你发现没有，用于传递ColumnAddress的数据线有8条（I/O0-I/O7，对应addr7,0，这也是addr8为什么不出现在我们传递的地址位中），也就是说我们能够指定的ColumnAddress范围为0-255，但不要忘了，1个Page的DataField是由512个Byte组成的，假设现在我要指定读命令从第256个字节处开始读取此页，那将会发生什么情景？我必须把ColumnAddress设置为256，但ColumnAddress最大只能是255，这就造成数据溢出。正是因为这个原因我们才把DataField分为两个半区，当要读取的起始地址（ColumnAddress）在0-255内时我们用00h命令，当读取的起始地址是在256-511时，则使用01h命令.假设现在我要指定从第256个byte开始读取此页，那么我将这样发送命令串。column_addr=256;NF_CMD=0x01;从2ndhalf开始读取NF_ADDR=column_addr&0xff;1stCycleNF_ADDR=page_address&0xff;2nd.CycleNF_ADDR=(page_address8)&0xff;3rd.CycleNF_ADDR=(page_address16)&0xff;4th.CycleNF_CMD=0x30;事实上，当NF_CMD=0x01时，NANDFlash地址寄存器中的第8位（A8）将被设置为1（如上文分析，A8位不在我们传递的地址中，这个位其实就是硬件电路根据01h或是00h这两个命令来置高位或是置低位），这样我们传递column_addr的值256随然由于数据溢出变为1，但A8位已经由于NF_CMD=0x01的关系被置为1了。这8个位所表示的正好是256，这样读操作将从此页的第256号byte（2ndhalf的第0号byte）开始读取数据。在对NANDFlash进行任何操作之前，NANDFlash必须被初始化。向NandFlash的命令寄存器和地址寄存器发送完以上命令和参数之后,我们就可以从rNFDATA寄存器(NandFlash数据寄存器)读取数据了.我用下面的代码进行数据的读取.for(i=column_addr;i512;i+)*buf+=NF_RDDATA();每当读取完一个Page之后,数据指针会落在下一个Page的0号Column(0号Byte).存储操作特点：1.擦除操作的最小单位是块。2.NandFlash芯片每一位(bit)只能从1变为0，而不能从0变为1，所以在对其进行写入操作之前要一定将相应块擦除(擦除即是将相应块得位全部变为1).3.OOB部分的第六字节(即517字节)标志是否是坏块，如果不是坏块该值为FF，否则为坏块。4.除OOB第六字节外，通常至少把OOB的前3个字节存放NandFlash硬件ECC码(关于硬件ECC码请参看Nandflash控制器一节).重要芯片引脚功能I/O0-I/O7：复用引脚。可以通过它向nandflash芯片输入数据、地址、nandflash命令以及输出数据和操作状态信息。CLE(CommandLatchEnable):命令锁存允许ALE(AddressLactchEnable):地址锁存允许-CE:芯片选择-RE:读允许-WE:写允许-WP:在写或擦除期间，提供写保护R/-B:读/忙输出NandFlash控制器中的硬件ECC介绍ECC产生方法ECC是用于对存储器之间传送数据正确进行校验的一种算法，分硬件ECC和软件ECC算法两种，在S3C2440的NandFlash控制器中实现了由硬件电路（ECC生成器）实现的硬件ECC。ECC生成器工作过程当写入数据到Nandflash存储空间时，ECC生成器会在写入数据完毕后自动生成ECC码，将其放入到ECC0ECC2。当读出数据时NandFlash同样会在读数据完毕后，自动生成ECC码将其放到ECC0ECC2当中。ECC的运用当写入数据时，可以在每页写完数据后将产生的ECC码放入到OOB指定的位置(Byte6)去，这样就完成了ECC码的存储。这样当读出该页数据时，将所需数据以及整个OOB读出，然后将指定位置的ECC码与读出数据后在ECC0ECC1的实际产生的ECC码进行对比，如果相等则读出正确，若不相等则读取错误需要进行重读。操作命令字介绍操作NANDFLASH时，先传输命令，接着输出地址，最后读/写数据，期间还要检查FLASH的状态。具体的命令字见下表。1、Read命令字为00h，30h。如上图，当发出00h命令后，接着4个字节的地址序列，然后再发出30h命令，接着，就可以读出数据了，当发送完30h后，可以检测R/B引脚看是否准备好了，如果准备好，就可以读出数据。2、Reset命令字：FFh当向芯片发送FFh命令时，可以复位芯片，如果芯片正在处于读、写、擦除状态，复位命令会终止这些命令。3、Page Program命令字：80h，10h.NANDFLASH的写操作一般是以页为单位进行的，因此才会叫Page Program，但是也支持一个字以上的（包括一个字）连续写操作。开始发出80h命令，接着发送5个字节的地址序列，然后向FLASH发送数据，最大为一页大小，最后发送10h命令启动烧写，此时FLASH内部会自动完成写、校验操作。发送10h后，可以通过读状态命令70h（见下文）获知写操作是否完成，是否成功。4、Copy-Back Program命令字：00h、8Ah、10h.此命令用于将一页复制到同一层的另外一页，它省去了读出数据、将数据重新载入FLASH的过程，使得效率大大提高。关于层：NANDFLASH有层的概念，K9F2G08分为两层，每层包括了1024个块，如下图，因此上面的命令表中才会有two-plane的命令，这些命令可以使得在两个层间完成操作，这样程序员就很方便的使用一个命令完成更多的操作，其命令格式和单层操作的类似，详见手册。但K9F2G08R0A不支持两层命令。上图清晰的告诉我们，开始发送00h和源地址，当发送35h之后，芯片将一页大小的数据读入到内部寄存器，接着，我们发送85h和目的地址序列，最后发送10h启动。最后，我们可以使用70h/7Bh检测是否完成，是否成功。5、Block Erase命令字：60h、D0h擦除操作是以块为单位的，也就是128K。开始发出60h，然后发出3个地址序列仅行地址，最好发出D0h。具体操作，如下图。6、ReadStatus 命令字：70h 读状态命令可以读出芯片的状态寄存器，查看是否读、写操作是否完成、是否成功。具体的状态见下图。S3C2440的NANDFLASH控制器介绍看了