SC对NandFlash的基本操作

1、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

2、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 Fla

3、sh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

4、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

5、，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256M×8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

6、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

7、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    

8、            0x30              /页读命令周期2#define CMD_READID               0x90     

9、         /读ID命令#define CMD_WRITE1               0x80              /页写命令周期1#define CMD_WRITE2     

10、60;         0x10              /页写命令周期2#define CMD_ERASE1               0x60        &#

11、160;     /块擦除命令周期1#define CMD_ERASE2               0xd0              /块擦除命令周期2#define CMD_STATUS        &

12、#160;      0x70              /读状态命令#define CMD_RESET                0xff         

13、;      /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 C

14、MD_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 F

15、lash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Na

16、nd 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

17、，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n

18、WE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

19、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()   &#

20、160;    rNFCONT |= (1<<1); #define NF_CE_H()          NF_nFCE_H()        /关闭nandflash片选#define NF_RSTECC()        rNFCONT |= (1<<4);   

21、60;/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spar

22、e区ECC#define NF_SECC_Lock()     rNFCONT |= (1<<6);    /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 & (1<<0) ) );   /等待Nand Flash不忙#define NF_CLEAR_RB()  rNFSTAT |

23、= (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);  

24、0;     /传输命令#define NF_ADDR(addr)      rNFADDR = (addr);        /传输地址#define NF_RDDATA()         （rNFDATA)           

25、60;      /读32位数据#define NF_RDDATA8()       (rNFDATA8)                 /读8位数据#define NF_WRDATA(data)    rNFDATA = (data);  

26、60;     /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<<

27、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();             &#

28、160;     /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();      

29、60;       /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

30、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();    &

31、#160;         /打开nandflash片选       NF_CLEAR_RB();            /清RnB信号       NF_CMD(CMD_READID);       

32、;/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 =

33、NF_RDDATA8();      /厂商ID：0xEC       pDID = NF_RDDATA8();      /设备ID：0xDA       cyc3 = NF_RDDATA8();      /0x10       cyc

34、4 = NF_RDDATA8();      /0x95       cyc5 = NF_RDDATA8();      /0x44       NF_nFCE_H();              /关闭nandflas

35、h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

36、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

37、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

38、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();              

39、60;/复位ECCNF_MECC_UnLock();          /解锁main区ECC    NF_nFCE_L();/使能芯片      NF_CLEAR_RB();/清除RnBNF_CMD(CMD_READ1);          /页读命令周期1，0x00   /写入5个地址周期 NF_ADDR

40、(0x00);                  /列地址A0-A7    NF_ADDR(0x00);                  /列地址A8-A11   NF_ADDR(page_number) &

41、amp; 0xff);           /行地址A12-A19    NF_ADDR(page_number >> 8) & 0xff);    /行地址A20-A27NF_ADDR(page_number >> 16) & 0xff);   /行地址A28NF_CMD(CMD_READ2);       

42、; /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();    

43、0;     /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)

44、|(mecc0&0xff);rNFMECCD1=(mecc0 & 0xff00 0000)>>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

45、_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)<<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

46、;                  /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

47、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（1280642001×640），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(

48、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>使能ECCNF_MECC_UnLock();&#

49、160;    /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N

50、F_ADDR(0x00);           /列地址A0A7NF_ADDR(0x00);           /列地址A8A11NF_ADDR(page_number) & 0xff);         /行地址A12A19NF_ADDR(page_number >> 8)

51、& 0xff);    /行地址A20A27NF_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

52、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();             

53、0;    /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;  

54、60;                /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_C

55、MD(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

56、/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_MarkBadBlo

57、ck(page_number>>6);/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;       

58、           /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

59、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_

60、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);  

61、60;      /行地址A18A19NF_ADDR(block_number >> 2) & 0xff);         /行地址A20A27NF_ADDR(block_number >> 10) & 0xff);        /行地址A28    NF_CMD(CMD_ERASE2);   

62、      /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

63、0;      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_numb

64、er>>6);    /标注该块为坏块       if (temp = 0x21)              return 0x43            /标注坏块失败       e

65、lse              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K9

66、F2G08U0A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

67、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();          

68、60;    /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)

69、;     /行地址A12A19NF_ADDR(page_number >> 8) & 0xff);           /行地址A20A27NF_ADDR(page_number >> 16) & 0xff);         /行地址A28 NF_CMD(CMD_READ2);    

70、      /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);      &#

71、160;           /列地址A0A7NF_ADDR(char)(add>>8)&0x0f);           /列地址A8A11NF_CMD(CMD_RANDOMREAD2);            /随意读命令周期2return NF_RDDATA8()

72、;               /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

73、_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);         &

74、#160;                           /列地址A0A7NF_ADDR(0x00);                     &#