Nand Flash

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本章我们将学习嵌入式系统中比较重要的存储器件-----Nand Flash，它相当于PC机的硬盘，用于保存系统运行所必需的操作系统、应用程序、用户数据、运行过程中产生的各类数据。与内存（Sdram）不同，Nand Flash掉电后，数据仍可以永久保存。 

一、NAND　FLASH介绍

Nand Flash是flash存储器的一种，其内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量内存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，改写速度快等优点，适用于大量数据的存储，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。NAND型闪存以块为单位进行擦除操作。闪存的写入操作必须在空白区域进行，如果目标区域已经有数据，必须先擦除后写入，因此擦除操作是闪存的基本操作。

我的TQ2440是三星生产的K9F2G08，容量为256MB。下观就以它为例进行介绍。

1、物理结构

该芯片为

48引脚，有三种封装，其外围引脚较少，这样就方便和S3C2440的硬件连接，即方便设计电路，又可以减少占用总线资源。具体的引脚见手册的第8页，在此我就不列出了。

下面是芯片的功能结构图，

l  X-Buffers Latches & Decoders：用于产生行地址；

l  Y-Buffers Latches & Decoders：用于产生列地址；

l  Command Register：用于命令字的操作；

l  Control Logic & High Voltage Generator：控制逻辑及产生Flash所需的高压；

l  Nand Flash　Array：存储部件；

l  Page Register & S/A ：页寄存器，当读、写页时，会将数据先读入或写入此寄存器，大小为2048+64　B。

下图为NAND　FLASH的存储单元组织结构图：

K9F2G08

容量为256MB，分为131072行（页），2112 x 8列。每页大小为2048字节，另外有64字节的额外空间，这64字节的空间的列地址为2048—2111。

命令、地址、数据都通过8个I/O口输入/输出，这种形式减少了芯片的引脚个数，并使得系统很容易升级到更大的容量，写入命令、地址或数据时，都需要将WE#、CE#信号同时拉低。数据在WE#信号的上升沿被锁存，其中CLE为命令锁存信号、ALE为地址锁存信号。整个芯片为（256+8）MB，因此，需要29根地址线来寻址，这样，如果我们以字节为单位发出寻址信号，总共需要5个周期，其中2周期列地址信号，3周期的行地址信号。见下图。

2、操作命令字介绍

操作NAND　FLASH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。

　　当对NAND　FLASH操作时，先发送命令，然后再发送5个字节的地址序列。下面介绍一些常用指令，其它指令，详见手册，上面写的很清楚。

1、Read

命令字为00h，30h。

如上图，当发出

00h命令后，接着5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.

NAND　FLASH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：NAND　FLASH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、Read　Status

         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。

二、S3C2440的NAND　FLASH控制器介绍

看了上面的命令时序图，大家肯定认为对NAND　FLASH的操作比较复杂，因此S3C2440为了简化操作，为我们提供了几个寄存器，比如NFCMD寄存器，就是NAND　FLASH命令寄存器，如果我们需要读命令，直接向此寄存器写00h、30h即可。

基本操作步骤：

1.         设置NFCONF和NFCONT寄存器，配置NAND　FLASH；

2.         向NFCMD寄存器写入命令；

3.         向NFADDR寄存器写入地址；

4.         读/写数据，通过NFSTAT检测NAND　FLASH的状态，读R/nB信号以确定是否完成操作，是否成功。

主要寄存器：

u  NFCONF

设置NAND　FLASH的时序参考TACLS、TWRPH0、TWRPH1，这三个参数见下面时序图；设置位宽度；还包括一些只读位，用来批示是否支持其它大小的页。

TACLS：表示CLT/ALE的建立时间(setup time)。

TWRPH0：表示CLE/ALE的持续时间。

TWRPH1：表示CLE/ALE的维持时间(hold time)。

u  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。

u  NFCMD

命令寄存器，用来向其写入命令。

u  NFADDR

地址寄存器，用来向其写入地址。

u  NFDATA

数据寄存器，用来读、写数据使用，只用到8位。

u  NFSTAT

状态寄存器，只用到一位，0：busy；1：ready。

三、NAND　FLASH的操作（以读为例）1、设置NFCONF和NFCONT

NFCONF主要是设置TACLS、TWRPH0、TWRPH1三个时间参数。根据手册的参数表，见下图：

三个参数只有最小值　MIN，没有最大值，因此，只要参数大于表格中的数即可，这里涉及时钟的一些概念，暂时不做解释，如果有不明白的，等学完时间一章再回过头来复习本章吧，这里直接将参数告诉大家：

TACLS=1；TWRPH0=4；TWRPH1=0。

NFCONT设置为：NFCONT=（1<<4）|（1<<1）|（1<<0）　表示使能NAND　FLASH控制器、禁止控制引脚信号nFCE、初始化ECC。

2、复位NAND　FLASH

第一次使用，通常要复位一下。

NFCONT   &=  ~（1<<1）

NFCMD    =   0xFF

然后循环查NFSTAT位0，直到它为1.

3、读命令

NFCONT　　&=  ~（1<<1）

NFCMD　　=　　0

四、实例分析

上面涉及的概念比较多，请大家反复阅读，并通过本实例来消化。

在以前的几章程序都是直接下载到NAND FLASH的0x0地址，并且这些代码都小于4KB，因此通地NAND　FLASH启动后会自动读入NAND　FLASH内部的SRAM运行。

本章的程序将放在4096之后，当通过NAND　FLASH启动后，再读入SDRAM中运行。

整个程序由head.s  init.c  nand.c  main.c Makefile和nand.lds组成。先来看一下链接脚本。

SECTIONS {

  firtst         0x00000000 : { head.o init.o nand.o}

  second      0x30000000 : AT(4096) { main.o }

}

上面的链接脚本将整个程序分成两段，第一段由head.o  init.o  nand.o组成，加载运行地址都是0x0；第二段由main.o组成，加载地址为4096，运行地址为0x30000000。

整个程序还是以head.s文件为入口，其调用的函数都在init.c  和nand.c　文件中实现。依次完成设置堆栈、关看门狗、初始化Sdram、初始化NAND FLASH、复制第二段代码（main.o）到Sdram，重设堆栈到Sdram、执行main函数。

这里有两点要注意：

1、            复制第二段代码的时候调用了C语言的函数nand_read，而这个函数是带有3个参数的，因此根据调用规则，参数由r0,r1,r2传递进去，这里只用到3个参数。如果想要传递大于4个参数时，剩下的参数就只能用数据栈进行传递了，如果函数有返回值，用a0传递。

2、            第一段代码在NAND　FLASH中的Sram中运行，因此堆栈设置为4096；第二段代码跳到Sdram中运行了，因此需重新设置堆栈。

我将同步上传程序，并且添加注释，如果有错误和疑问，请留言。

五、实验现象

将编译好的程序烧录到nand中后，从nand启动，发现LED开始计数。本章涉及的内容较多，希望读者多用时间来理解消化。