测试文章

一、结构分析 
S3C2410处理器集成了8位NandFlash控制器。目前市场上常见的8位NandFlash有三星公司的k9f1208、k9f1g08、k9f2g08等。k9f1208、k9f1g08、k9f2g08的数据页大小分别为512Byte、2kByte、2kByte。它们在寻址方式上有一定差异，所以程序代码并不通用。本文以S3C2410处理器和k9f1208系统为例，讲述NandFlash的读写方法。

NandFlash的数据是以bit 的方式保存在memory cell里的，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 组成Page， page 再组织形成一个Block。k9f1208的相关数据如下：

1block=32page；1page=528byte=512byte(Main Area)+16byte(Spare Area)。

总容量为=4096（block数量）*32（page/block）*512(byte/page)=64Mbyte

NandFlash以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据。按照k9f1208的组织方式可以分四类地址： Column Address、halfpage pointer、Page Address 、Block Address。A[0:25]表示数据在64M空间中的地址。

Column Address表示数据在半页中的地址，大小范围0~255，用A[0:7]表示；

halfpage pointer表示半页在整页中的位置，即在0~255空间还是在256~511空间，用A[8]表示；

Page Address表示页在块中的地址，大小范围0~31，用A[13:9]表示；

Block Address表示块在flash中的位置，大小范围0~4095，A[25:14] 表示；

二、读操作过程

K9f1208的寻址分为4个cycle。分别是：A[0:7]、A[9:16]、A[17:24]、A[25]。 
读操作的过程为: 1、发送读取指令；2、发送第1个cycle地址；3、发送第2个cycle地址；4、发送第3个cycle地址；5、发送第4个cycle地址；6、读取数据至页末。

K9f1208提供了两个读指令，‘0x00’、‘0x01’。这两个指令区别在于‘0x00’可以将A[8]置为0，选中上半页；而‘0x01’可以将A[8]置为1，选中下半页。

虽然读写过程可以不从页边界开始，但在正式场合下还是建议从页边界开始读写至页结束。下面通过分析读取页的代码，阐述读过程。

static void ReadPage(U32 addr, U8 *buf)   //addr表示flash中的第几页，即‘flash地址>>9’{  U16 i;  NFChipEn();   //使能NandFlash  WrNFCmd(READCMD0); //发送读指令‘0x00’，由于是整页读取，所以选用指令‘0x00’  WrNFAddr(0);   //写地址的第1个cycle，即Column Address，由于是整页读取所以取0  WrNFAddr(addr);   //写地址的第2个cycle，即A[9:16]  WrNFAddr(addr>>8);   //写地址的第3个cycle，即A[17:24]  WrNFAddr(addr>>16); //写地址的第4个cycle，即A[25]。  WaitNFBusy(); //等待系统不忙  for(i=0; i<512; i++)      buf[i] = RdNFDat(); //循环读出1页数据  NFChipDs();   //释放NandFlash}

三、写操作过程

写操作的过程为: 1、发送写开始指令；2、发送第1个cycle地址；3、发送第2个cycle地址；4、发送第3个cycle地址；5、发送第4个cycle地址；6、写入数据至页末；7、发送写结束指令

下面通过分析写入页的代码，阐述读写过程。

static void WritePage(U32 addr, U8 *buf)   //addr表示flash中的第几页，即‘flash地址>>9’
{
U32 i;
NFChipEn();   //使能NandFlash
WrNFCmd(PROGCMD0);   //发送写开始指令’0x80’
WrNFAddr(0);   //写地址的第1个cycle 
WrNFAddr(addr);   //写地址的第2个cycle
WrNFAddr(addr>>8); //写地址的第3个cycle
WrNFAddr(addr>>16); 写地址的第4个cycle
WaitNFBusy();   //等待系统不忙
for(i=0; i<512; i++) 
   WrNFDat(buf[i]); //循环写入1页数据
WrNFCmd(PROGCMD1); //发送写结束指令’0x10’
NFChipDs();   //释放NandFlash
}

四、总结

本文以S3C2410处理器和k9f1208系统为例讲述了nand flash的读写过程。在读写过程中没有考虑到坏块问题，有关ecc及坏块处理问题将在下个专题中讲述。

 

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我的板子上使用的是SAMSUNG的K9F1208U0B，下面我将对此型号的NandFlash读取操作做一个讲解。
首先我们先从物理结构上来了解这颗芯片，结构图如下所示
正如硬盘的盘片被分为磁道，每个磁道又被分为若干扇区，一块Nand Flash被分为若干Block,每个Block又被分为若干Page。
由上图我们可以知道flash中Byte(字节)，Page(页),Block（块）3个单位之间的关系为 
1 Page =512 Bytes Data Field+ 16 Bytes Spare Field
1 Blcok="32" Pages
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)= 69206016 Bytes = 66 MB
但事实上每个Page上的最后16Bytes是用于存贮检验码用的，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) = 67108864 Bytes = 64 MB
由上图所示，1个Page总共由528 Bytes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0 Byte ，第1行为第1 Byte，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Data Field和Spare Field，其中Spare Field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Data Field，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。
Data Field按位置关系又可分为两个部分，分别称为1st half与2nd half，每个half各占256个bytes。或许你会感到纳闷，为什么要把DataField分为两个部分？把他们看做一个整体进行操作不就好了吗？呵呵，凡事都有因果关系，这么分块自然有它的道理所在，但现在还不是告诉你答案的时候。我们还是先讨论一下它的操作吧。
对K9F1208U0B的操作是通过向Nand Flash命令寄存器（对于s3c2410来说此寄存器为NFCMD，内存映射地址为0x4e000004）发送命令队列进行的，为什么说是命令队列？就是因为要完成某个操作的时候发送的不是一条命令，而是连续几条命令或是一条命令加几个参数
下面是K9F1208U0B的操作命令集：
读命令有两个，分别是 Read1,Read2其中Read1用于读取Data Field的数据，而Read2则是用于读取Spare Field的数据。对于Nand Flash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Spare Field）
Nand Flash的寻址
Nand Flash的地址寄存器把一个完整的Nand Flash地址分解成Column Address与Page Address.进行寻址
Column Address: 列地址。Column Address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。
Page Address：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Nand Flash地址src_addr时我们可以这样分解出Column Address和Page Address 
column_addr=src_addr%512;                           // column address
page_address=(src_addr>>9);                         // page address

也可以这么认为，一个Nand Flash地址的A0~A7是它的column_addr，A9~A25是它的Page Address。(注意地址位A8并没有出现，也就是A8被忽略，在下面你将了解到这是什么原因)
Read1命令的操作分为4个Cycle，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Column Address。2nd.Cycle ,3rd.Cycle和4th.Cycle则是指定Page Address（每次向地址寄存器发送的数据只能是8位，所以17位的Page Address必须分成3次进行发送）。
4个Cycle
你是否还记得我上文提到过的Data Field被分为1st half 和2end half两个部分？而从上面的命令集我们看到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1st half的命令，而01h是用于读取2nd half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Column Address，假设我现在指定的Column Address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Spare Field)，如果我指定的Column Address是127，情况也与前面一样，但不知道你发现没有，用于传递Column Address的数据线有8条（I/O0~I/O7，对应A0~A7，这也是A8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Column Address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Column Address设置为256，但Column Address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Data Field分为两个半区，当要读取的起始地址（Column Address）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2nd half开始读取
NF_ADDR=column_addr&0xff;                         1st Cycle
NF_ADDR=page_address&0xff;                        2nd.Cycle
NF_ADDR=(page_address>>8)&0xff;               3rd.Cycle
NF_ADDR=(page_address>>16)&0xff;             4th.Cycle
其中NF_CMD和NF_ADDR分别是NandFlash的命令寄存器和地址寄存器的地址解引用，我一般这样定义它们，
#define rNFCMD          (*(volatile unsigned char *)0x4e000004)          //NADD Flash command
#define rNFADDR          (*(volatile unsigned char *)0x4e000008)          //NAND Flash address
事实上，当NF_CMD=0x01时，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，所以我们传到地址寄存器里的值变成了
A0    A1    A2    A3    A4    A5    A6    A7    A8
1       0      0      0      0       0      0      0      1 
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（2nd half的第0号byte）开始读取数据。
Read2
Read2则是指定读取Spare Field的内容
其实Read1和Read2都是读命令，他们的区别相当于对一个读指针进行不同区域的定位。
nand_flash.c中包含3个函数
void nf_reset(void);
void nf_init(void);
void nf_read(unsigned int src_addr,unsigned    char *desc_addr,int size);
nf_reset()将被nf_init()调用。
nf_init()是nand_flash的初始化函数，在对nand flash进行任何操作之前，nf_init()必须被调用。
nf_read(unsigned int src_addr,unsigned    char *desc_addr,int size);为读函数，src_addr是nand flash上的地址，desc_addr是内存地址，size是读取文件的长度。
在nf_reset和nf_read函数中存在两个宏
NF_nFCE_L();
NF_nFCE_H();
你可以看到当每次对Nand Flash进行操作之前NF_nFCE_L()必定被调用，操作结束之时NF_nFCE_H()必定被调用。这两个宏用于启动和关闭Flash芯片的工作（片选/取消片选）。
至于nf_reset()中的
rNFCONF=(1<<15)|(1<<14)|(1<<13)|(1<<12)|(1<<11)|(TACLS<<8)|(TWRPH0<<4)|(TWRPH1<<0);
这一行代码是对NandFlash的控制寄存器进行初始化配置,rNFCONF是Nand Flash的配置寄存器，各个位的具体功能请参阅s3c2410数据手册。
现在举一个例子，假设我要从Nand Flash中的第5000字节处开始读取1024个字节到内存的0x30000000处，我们这样调用read函数
nf_read(5000, 0x30000000,1024);
我们来分析5000这个src_addr.
根据
column_addr=src_addr%512;        
page_address=(src_addr>>9);        
我们可得出column_addr=5000%512=392
page_address=(5000>>9)=9
于是我们可以知道5000这个地址是在第9页的第392个字节处，于是我们的nf_read函数将这样发送命令和参数
column_addr=5000%512;
page_address=(5000>>9);
NF_CMD=0x01;                                             从2nd half开始读取
NF_ADDR= column_addr &0xff;                       1st Cycle
NF_ADDR=page_address&0xff;                        2nd.Cycle
NF_ADDR=(page_address>>8)&0xff;               3rd.Cycle
NF_ADDR=(page_address>>16)&0xff;             4th.Cycle
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;i<512;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).
附件里是完整的NandFlash读取操作代码.请配合本文使用.