嵌入式系统中Nand-Flash的原理及应用

1、嵌入式系统中Nand-Flash的原理及应用 文档说明:  当前各类嵌入式系统开发设计中，存储模块是不可或缺的重要方面。NOR和NAND是目前市场上两种主要的非易失闪存技术。        Nor-flash存储器的容量较小、写入速度较慢，但因其随机读取速度快，因此在嵌入式系统中，常应用在程序代码的存储中。Nor-flash存储器的内部结构决定它不适合朝大容量发展;而Nand-flash存储器结构则能提供极高的单元密度，可以达到很大的存储容量，并且写入和擦除的速度也很快。    

2、60;     Nand-flash存储器是flash存储器的-种，其内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量存储器的实现提供了廉价有效的解决方案。Nand-flash存储器具有容量较大，改写速度快，适用于大量资料的存储，因而在业界得到了越来越广泛的应用，如嵌入式产品中包括数码相机、MP3随身听记忆卡、体积小巧的U盘等。    本文以三星公司的K9F1208UOB芯片为例，介绍Nand-flash存储器芯片的读写流程和时序。      1 Nand-Flash存储器的工作原理&

3、#160;     1.1 Nand-Flash存储器的组成结构及指令集          K9F1208UOB的容量为64Mb，存储空间按128K个页(行)、每页中528个字节(列)的组成方式构成。备用的16列，位于列地址的512-527。K9F1208UOB还将存储空间分为块(block)，每1块由32个页构成。因此K9F1208UOB中一共有4096个块。这种“块-页”结构，恰好能满足文件系统中划分簇和扇区的结构要求。K9F1208UOB的内部结构如图1所示。 

4、;                                            图1 K9F1208UOB的内部结构   

5、60;     K9F1208UOB的读和写都以页为单位，擦除则以块为单位进行操作。          K9F1208UOB的地址通过8位端口传送，有效地节省了引脚的数量，并能够保持不同密度器件引脚的一致性，系统可以在电路不作改动的情况下升级为高容量存储器件。           K9F1208UOB通过CLE和ALE信号线实现I/O口上指令和地址的复用。指令、地址和数据都通过拉低WE和

6、CE从I/O口写入器件中。有一些指令只需要一个总线周期完成，例如，复位指令、读指令和状态读指令等;另外一些指令，例如页写入和块擦除，则需要2个周期，其中一个周期用来启动，而另一个周期用来执行。       1.2 Nand-Flash操作       1.2.1 页读操作           在初始上电时，器件进入缺省的“读方式1模式”。在这一模式下，页读操作通过将00h指令写入指令寄存

7、器，接着写入3个地址(1个列地址，2个行地址)来启动。一旦页读指令被器件锁存，下面的页读操作就不需要再重复写入指令了。           写入指令和地址后，处理器可以通过对信号线R/B的分析来判断该操作是否完成。如果信号为低电平，表示器件正“忙”;为高电平，说明器件内部操作完成，要读取的数据被送入了数据寄存器。外部控制器可以在以50ns为周期的连续RE脉冲信号的控制下，从I/O口依次读出数据。连续页读操作中，输出的数据是从指定的列地址开始，直到该页的最后-个列地址的数据为止。  &#

8、160;    1.2.2 页写操作           K9F1208UOB的写入操作也以页为单位。写入必须在擦除之后，否则写入将出错。           页写入周期总共包括3个步骤：写入串行数据输入指令(80h)，然后写入3个字节的地址信息，最后串行写入数据。串行写入的数据最多为528字节，它们首先被写入器件内的页寄存器，接着器件进入一个内部写入过程，将数据从页寄存器写入存储宏单元

9、。           串行数据写入完成后，需要写入“页写入确认”指令10h，这条指令将初始化器件的内部写入操作。如果单独写入10h而没有前面的步骤，则10h不起作用。10h写入之后，K9F1208UOB的内部写控制器将自动执行内部写入和校验中必要的算法和时序，这时系统控制器就可以去做别的事了。           内部写入操作开始后，器件自动进入“读状态寄存器”模式。在这一模式下，当RE和CE为低电平时，系统可以读

10、取状态寄存器。可以通过检测R/B的输出，或读状态寄存器的状态位(I/O 6)来判断内部写入是否结束。在器件进行内部写入操作时，只有读状态寄存器指令和复位指令会被响应。当页写入操作完成，应该检测写状态位(I/O 0)的电平。           内部写校验只对没有成功地写为0的情况进行检测。指令寄存器始终保持着读状态寄存器模式，直到其他有效的指令写入指令寄存器为止。       1.2.3 块擦除     &

11、#160;     擦除操作是以块为单位进行的。擦除的启动指令为60h，块地址的输入通过两个时钟周期完成。这时只有地址位A14到A24是有效的，A9到A13则被忽略。块地址载入之后执行擦除确认指令D0h，它用来初始化内部擦除操作。擦除确认命令还用来防止外部干扰产生擦除操作的意外情况。器件检测到擦除确认命令输入后，在WE的上升沿启动内部写控制器开始执行擦除和擦除校验。内部擦除操作完成后，检测写状态位(I/O 0)，从而了解擦除操作是否有错误发生。       1.2.4 读状态寄存器 &

12、#160;         K9F1208UOB包含一个状态寄存器，该寄存器反应了写入或擦除操作是否完成，或写入和擦除操作是否无错。写入70h指令，启动读状态寄存器周期。状态寄存器的内容将在CE或RE的下降沿处送出至I/O端口。           器件一旦接收到读状态寄存器的指令，它就将保持状态寄存器在读状态，直到有其他的指令输入。因此，如果在任意读操作中采用了状态寄存器渎操作，则在连续页读的过程中，必须重发00h或50h指令。

13、60;      1.2.5 读器件ID           K9F1208UOB器件具有一个产品鉴定识别码(ID)，系统控制器可以读出这个ID，从而起到识别器件的作用。读ID的步骤是：写入90h指令，然后写入一个地址00h。在两个读周期下，厂商代码和器件代码将被连续输出至I/O口。           同样，一旦进入这种命令模式，器件将保持这种命令状态，直到接收到其

14、他的指令为止。       1.2.6 复位           器件提供一个复位(RESET)指令，通过向指令寄存器写入FFh来完成对器件的复位。当器件处于任意读模式、写入或擦除模式的忙状态时，发送复位指令可以使器件中止当前的操作，正在被修改的存储器宏单元的内容不再有效，指令寄存器被清零并等待下一条指令的到来。当WP为高时，状态寄存器被清为C0h。       2 系统硬件连线及软件设

15、计       2.1硬件连线    K9F1208UOB和S3C2440A的接口电路如图2所示。                                  &#

16、160; 图2 K9F1208UOB与S3C2440A硬件电路       2.2 软件设计       步骤1：Nand-Flash初始化           利用ADS1.2等工具建立工程文件nandflash_test.mcp，在Nand.c文件中Test_K9S1208子函数实现了主要测试功能。gpacon = rGPACON;rGPACON=(rGPACON &(0x3

17、f<<17)|(0x3f<<17);首先备份rGPACON的内容，再设置GPA17-22的工作方式。然后调用Nand-Flash初始化函数。NF8_Init0;/初始化函数初始化函数的实现源码如下：rNFCONF=(TACLS<<12)|(TWRPH0<<8)I(TWRPH1<<4)|(0<<0)：rNFCONT=(0<<13)|(0<<12)|(0<<10)|(0<<9)|(0<<8)|(1<<6)|(1<<5)|(1<<4)

18、|(1<<1)|(1<<0)：       步骤2：读器件ID码    由于S3C2440A中没有像支持SDRAM 一样提供直接与Nand-flash存储器的接口，读写的过程要靠软件编程来完成。初始化Nand-Flash后，就可以对Nand-Flash进行操作了。程序调用NF8_Print_Id()子函数读出器件ID码。id=NF8_CheckId(); /继续调用子函数device=(U8)id;maker=(U8)(id>>8)：Uart_Printf("

19、Maker:%x,Device:%x ",maker,device);NF8_Print_Id()源码如下：NF_CMD(0x90);/写入90h指令NF_ADDR(0x0);/写入地址00hfor(i=0;i<10;i+);Uart_Printf("NFSTAT:0x%x ",rNFSTAT);id=NF_RDDATA8()<<8;/Maker code 0xec读出ID值id |=NF_RDDATA8();/Devide code(K9S1208V:0x76)，(K9K2G16U0M:0xca)    

20、   步骤3：页读写程序           本实验实现了某页的写及读出验证功能。Test_NFS_Rw子函数实现这一功能。           程序首先初始化要写入的数据，*dstPt是要读出验证的数据，先填0;*srcPt是要写入的数据，先用随机数填满。for(i=0;i<512;i+) *dstPt+=0x0;/填0for(i=0;i<512;i+)#if A

21、DS10=TRUEif(offset=-1) *srcPt+=rand()%0xff;/随机数填满#elseif(offset=-1) srcPt+ =i%0xf;#endifelse *srcPt+=i+offset;写之前先进行擦除工作：if(NF8_EraseBIock(block)=FAIL) return;然后进行页写入操作：if(NF8_WritePage(block,page,srcPt)=FAIL) return;将用随机数填满的srcPt指向的数据写入到指定的页中。写入之后再读出验证：if(NF8_ReadPage(block,page,dstPt)=FAIL) return

22、;Uart_Printf("Checking data. ");for(error=0,i=0;i<512;i+)if(*srcPt+!=*dstPt+)/比较操作Uart_Printf("Error:%dW:%x,R:%x ",i,*srcPt,*dstPt);error+;if(error!=0)Uart_Printf("Fail to R/W test(%d). ",error);return(2);elseUart_Printf("R/W test OK. ");return(1);           其中NF8_ReadPage(block,page,dstPt)将读出的数据放入dstPt指向的地址空间里。最后将写入的数据和读出的数据比较，打印验证信息。