S3C2440对Nand Flash操作和电路原理——K9F2G08U0A 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 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 3K9F2G08U0A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A0~A7；第二个周期访问的地址为A8~A11,它作用在IO0~IO3上,而此时IO4~IO7必须为低电平；第三个周期访问的地址为A12~A19；第四个周期访问的地址为A20~A27；第五个周期访问的地址为A28,它作用在IO0上,而此时IO1~IO7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1define CMD_READ20x30 //页读命令周期2define CMD_READID 0x90 //读ID命令define CMD_WRITE1 0x80 //页写命令周期1define CMD_WRITE2 0x10 //页写命令周期2define CMD_ERASE1 0x60 //块擦除命令周期1define CMD_ERASE2 0xd0 //块擦除命令周期2define CMD_STATUS0x70 //读状态命令define CMD_RESET0xff //复位define CMD_RANDOMREAD1 0x05 //随意读命令周期1define CMD_RANDOMREAD2 0xE0 //随意读命令周期2define 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ECCdefine NF_MECC_UnLock(){rNFCONT &= ~(1<<5); }//解锁main区ECCdefine NF_MECC_Lock(){rNFCONT |= (1<<5); }//锁定main区ECCdefine NF_SECC_UnLock() {rNFCONT &= ~(1<<6); }//解锁spare区ECCdefine 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 |= (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 < 100; i++ );等一段时间//读五个周期的IDpMID = NF_RDDATA8();//厂商ID：0xECpDID = NF_RDDATA8();//设备ID：0xDAcyc3 = NF_RDDATA8();//0x10cyc4 = NF_RDDATA8();//0x95cyc5 = NF_RDDATA8();//0x44NF_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ECCNF_MECC_UnLock(); //解锁main区ECCNF_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(0x00); //列地址A0-A7NF_ADDR(0x00); //列地址A8-A11NF_ADDR((page_number) & 0xff); //行地址A12-A19NF_ADDR((page_number >> 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2,0x30NF_DETECT_RB(); //等待RnB信号变高,即不忙for (i = 0; i < 2048; i++){buf[i] = 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2048~2051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&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2052~2055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)<<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elsereturn 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＝2001×64＋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(200164).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——>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A0~A7NF_ADDR(0x00); //列地址A8~A11NF_ADDR((page_number) & 0xff);//行地址A12~A19NF_ADDR((page_number >> 8) & 0xff); //行地址A20~A27NF_ADDR((page_number >> 16) & 0xff); //行地址A28for (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ECCBuf[0]=(U8)(mecc0&0xff);ECCBuf[1]=(U8)((mecc0>>8) & 0xff);ECCBuf[2]=(U8)((mecc0>>16) & 0xff);ECCBuf[3]=(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2048~2051地址for(i=0;i<4;i++){NF_WRDATA8(ECCBuf[i]);}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ECCBuf[4]=(U8)(secc&0xff);ECCBuf[5]=(U8)((secc>>8) & 0xff);//把spare区的ECC值继续写入到spare区的第2052~2053地址内for(i=4;i<6;i++){NF_WRDATA8(ECCBuf[i]);}NF_CMD(CMD_WRITE2);//页写命令周期2delay(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 //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}elsereturn 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A18~A19NF_ADDR((block_number >> 2) & 0xff); //行地址A20~A27NF_ADDR((block_number >> 10) & 0xff); //行地址A28NF_CMD(CMD_ERASE2); //擦除命令周期2delay(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_number>>6);//标注该块为坏块if (temp == 0x21)return 0x43 //标注坏块失败elsereturn 0x44; //擦除操作失败}elsereturn 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A0~A7NF_ADDR(0x00); //列地址A8~A11NF_ADDR((page_number) & 0xff); //行地址A12~A19NF_ADDR((page_number >> 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A0~A7NF_ADDR((char)((add>>8)&0x0f)); //列地址A8~A11NF_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A0~A7NF_ADDR(0x00); //列地址A8~A11NF_ADDR((page_number) & 0xff); //行地址A12~A19NF_ADDR((page_number >> 8) & 0xff); //行地址A20~A27NF_ADDR((page_number >> 16) & 0xff); //行地址A28NF_CMD(CMD_RANDOMWRITE); //随意写命令//页内地址NF_ADDR((char)(add&0xff)); //列地址A0~A7NF_ADDR((char)((add>>8)&0x0f)); //列地址A8~A11NF_WRDATA8(dat); //写入数据NF_CMD(CMD_WRITE2); //页写命令周期2delay(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则写操作正确,否则错误if (stat & 0x1)return 0x44; //失败elsereturn 0x66; //成功}下面介绍上文中提到的判断坏块以及标注坏块的那两个程序：rNF_IsBadBlock和rNF_MarkBadBlock.在这里,我们定义在spare区的第6个地址（即每页的第2054地址）用来标注坏块,0x44表示该块为坏块.要判断坏块时,利用随意读命令来读取2054地址的内容是否为0x44,要标注坏块时,利用随意写命令来向2054地址写0x33.下面就给出这两个程序,它们的输入参数都为块地址,也就是即使仅仅一页出现问题,我们也标注整个块为坏块.U8 rNF_IsBadBlock(U32 block){return rNF_RamdomRead(block64, 2054);}U8 rNF_MarkBadBlock(U32 block){U8 result;result = rNF_RamdomWrite(block64, 2054, 0x33);if(result == 0x44)return 0x21; //写坏块标注失败elsereturn 0x60; //写坏块标注成功}关于Nand Flash的基本操作就介绍到这吧。
