mini2440硬件篇之Nand Flash

1. 硬件原理

Nand Flash在对大容量的数据存储中发挥着重要的作用。相对于Nor Flash，它具有一些优势，但它的一个劣势是很容易产生坏块，因此在使用Nand Flash时，往往要利用校验算法发现坏块并标注出来，以便以后不再使用该坏块。Nand Flash没有地址或数据总线，如果是8位Nand Flash，那么它只有8个IO口，这8个IO口用于传输命令、地址和数据。Nand Flash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。

1.1. 坏块管理

由于NAND Flash的工艺不能保证NAND的Memory Array在其生命周期中保持性能的可靠，因此，在NAND的生产中及使用过程中会产生坏块。坏块的特性是：当编程/擦除这个块时，不能将某些位拉高，这会造成Page Program和Block Erase操作时的错误，相应地反映到Status Register的相应位。

（1）固有坏块，这是生产过程中产生的坏块，一般芯片原厂都会在出厂时都会将坏块第一个page的spare area的第6个bit标记为不等于0xff的值。

（2）使用坏块，这是在NAND Flash使用过程中，如果Block Erase或者Page Program错误，就可以简单地将这个块作为坏块来处理，这个时候需要把坏块标记起来。为了和固有坏块信息保持一致，将新发现的坏块的第一个page的spare area的第6个Bit标记为非0xff的值。

（3）坏块管理

根据上面的这些叙述，可以了解NAND Flash出厂时在spare area中已经反映出了坏块信息，因此，如果在擦除一个块之前，一定要先check一下spare area的第6个bit（512）或第1个bit（2k）是否是0xff，如果是就证明这是一个好块，可以擦除；如果是非0xff，那么就不能擦除。

当然，这样处理可能会犯一个错误―――“错杀伪坏块”，因为在芯片操作过程中可能由于电压不稳定等偶然因素会造成NAND操作的错误。但是，为了数据的可靠性及软件设计的简单化，我们就要奉行“蒋委员长”的“宁可错杀一千，也决不放过一个”的宗旨。

（4）需要对前面由于Page Program错误发现的坏块进行一下特别说明。如果在对一个块的某个page进行编程的时候发生了错误就要把这个块标记为坏块，首先就要把其他好的page里面的内容备份到另外一个空的好块里面，然后，把这个块标记为坏块。

当然，这可能会犯“错杀”之误，一个补救的办法，就是在进行完页备份之后，再将这个块擦除一遍，如果Block Erase发生错误，那就证明这个块是个真正的坏块，那就毫不犹豫地将它打个“戳”吧！

（2）可能有人会问，为什么要使用spare area的第六个bit作为坏块标记。这是NAND Flash生产商的默认约定。

 

2. 芯片手册

K9F2G08U0B

2.1. 特性

容量256MB

一页2k+64；一块128k+4k；

2.2. 引脚描述

见手册

2.3. 指令集

 

2.4. 读

 

2.5. 编程

 

2.6. 擦除

 

2.7. 读ID

 

 

3. mini2440电路图

4. S3C2440寄存器

4.1. 控制器特性

1、支持读/写/编程 NAND FLASH内存

2、系统复位后nand flash的前4k代码自动copy到内部sram，copy完  成后从sram启动，此时内部sram被映射为nGCS0。（当OM[1：0] = 00时使能NAND FLASH 启动模式）

3、支持硬件ECC校验

4、系统启动后内部ram可以用做其他的用途。

4.2. 操作Nand方法

1、设置nand flash配置寄存器NFCONF

2、向命令寄存器NFCMD写入操作命令

3、向地址寄存器NFADDR写入地址

4、读/写数据前要读取状态寄存器NFSTAT来判断nand flash是否处于忙状态。

4.3. ECC奇偶校验

S3C2440在读/写操作时，自动生成2048字节的奇偶校验码。

Nand Flash的页为2048B。在读写的时候每页会产生4个bit大小的ECC校验码。

28bit ECC校验码=22bit线校验码+6bit列校验码

ECC产生模块执行以下步骤：

1：当MCU写数据到NAND时，ECC产生模块生成ECC码。

2：当MCU从NAND读数据时，ECC产生模块生成ECC码同时用户程序将它与先前写入时产生的ECC码作比较。

在自动引导模式下，不进行ECC检测。因此，NAND FLASH的前4KB应确保不能有位错误（一般NAND FLASH厂家都确保）。

nand.h

/******************************************************************* * Copyright (C)，2011-2012， XXX. * FileName： nand.h  * Author：HuangYinqing * Version：1.0 * Date:：2012-04-22 * Description：nand flash驱动. * Function List： * History： ******************************************************************/#ifndef __NAND_H__#define __NAND_H__/*nand flash调试等级*/#define DBG_NAND_LEVEL  1/*nand flash信息*/#define NAND_PAGE_SIZE(2*1024)   //==1页2k#define NAND_BLOCK_SIZE(NAND_PAGE_SIZE*64)   //==1块128k#define NAND_SIZE(256*1024*1024)//==容量256M/*操作命令*/#define CMD_READ1                 0x00              //页读命令周期1#define CMD_READ2                 0x30              //页读命令周期2#define CMD_READID                0x90              //读ID命令#define CMD_WRITE1                0x80              //页写命令周期1#define CMD_WRITE2                0x10              //页写命令周期2#define CMD_ERASE1                0x60              //块擦除命令周期1#define CMD_ERASE2                0xd0              //块擦除命令周期2#define CMD_STATUS                0x70              //读状态命令#define CMD_RESET                 0xff              //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 CMD_RANDOMWRITE           0x85//随意写命令/*NFCONF设置时序*/#define TACLS1#define TWRPH02#define TWRPH10/*NFCONT片选*/#define NF_nFCE_L()                        {rNFCONT &= ~(1<<1); }//==打开片选#define NF_nFCE_H()                        {rNFCONT |= (1<<1); }//==关闭片选/*读写数据*/#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/*NFSTAT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nandflash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/*ECC*/#define NF_RSTECC()                        {rNFCONT |= (1<<4); }         //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spare区ECC#define NF_SECC_Lock()                     {rNFCONT |= (1<<6); }         //锁定spare区ECC/*函数*/void NandTest(void);void NandInit(void);#endif 

nand.c

/******************************************************************* * Copyright (C)，2011-2012， XXX. * FileName： nand.h  * Author：HuangYinqing * Version：1.0 * Date:：2012-04-22 * Description：nand flash驱动. * Function List： * History： ******************************************************************/#include "common.h"#include "core.h"#include "nand.h"/********************************************************************函数功能：nand flash初始化。入口参数：无。返    回：无。备    注：无。********************************************************************/ void NandInit(void){rGPACON = (rGPACON &~(0x3f<<17)) | (0x3f<<17);            //配置芯片引脚/*TACLS=1、TWRPH0=2、TWRPH1=0，8位IO*/rNFCONF = (TACLS<<12)|(TWRPH0<<8)|(TWRPH1<<4)|(0<<0);/*非锁定，屏蔽nandflash中断，初始化ECC及不锁定main区和spare区ECC，使能nandflash片选及控制器*/rNFCONT = (0<<13)|(0<<12)|(0<<10)|(0<<9)|(0<<8)|(0<<6)|(0<<5)|(1<<4)|(1<<1)|(1<<0);}/********************************************************************函数功能：nand flash复位。入口参数：无。返    回：无。备    注：无。********************************************************************/ void NandReset(void){int i;NF_nFCE_L();                           //打开nandflash片选NF_CLEAR_RB();//清除RnB信号for ( i=0; i<10; i++);NF_CMD(CMD_RESET);//写入复位命令NF_DETECT_RB();//等待RnB信号变高，即不忙NF_nFCE_H();                            //关闭nandflash片选}/********************************************************************函数功能：nand flash读ID。入口参数：无。返    回：设备ID。备    注：无。********************************************************************/ char NandReadID(void){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<10; i++);//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DbgPrintX( DBG_NAND_LEVEL, "\rMID=%2x,DID=%2x,3r=%2x,4r=%2x,5r=%2x\n",pMID,pDID,cyc3,cyc4,cyc5);return pDID;}/********************************************************************函数功能：nand flash检查坏块。（大页2k）入口参数：ulBlockNum：待检查块索引返    回：1：坏块；0：好块。备    注：无。********************************************************************/ int NandIsBadBlockPage2048(U32 ulBlockNum){    U32 ulPageNum;U8 bBadBlockFlag;   ulPageNum = ulBlockNum << 6;//==1块=128k=64页      NF_nFCE_L();    NF_CLEAR_RB();   NF_CMD(0x00);NF_ADDR(0);NF_ADDR((2048>>8)&0xff);    NF_ADDR(ulPageNum&0xff);    NF_ADDR((ulPageNum>>8)&0xff);    NF_ADDR((ulPageNum>>16)&0xff);    NF_CMD(0x30);           NF_DETECT_RB();   bBadBlockFlag = NF_RDDATA8();                NF_nFCE_H();        return (bBadBlockFlag != 0xff);}/********************************************************************函数功能：检查坏块。入口参数：ulBlockNum：待检查块索引;bIsLargerPage：1：大页；0：小页返    回：1：坏块；0：好块。备    注：无。********************************************************************/ int NandIsBadBlock(U32 ulBlockNum, U8 bIsLargePage){switch(bIsLargePage) {case 0://return Nand_IsBadBlockPage512(ulBlockNum);case 1:return NandIsBadBlockPage2048(ulBlockNum);}return 0;}/********************************************************************函数功能：读nand flash一页数据。（大页2k）入口参数：ulPageNum：页索引pucBuffer：缓冲区返    回：成功：读取字节数备    注：无。********************************************************************/ U32 NandReadPage2048(U32 ulPageNum, U8 *pucBuffer){U32 i;NF_nFCE_L();                   //打开nandflash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((ulPageNum) & 0xff); //行地址A12~A19NF_ADDR((ulPageNum >> 8) & 0xff); //行地址A20~A27NF_ADDR((ulPageNum >> 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//读取一页数据内容for (i = 0; i < 2048; i++){*pucBuffer++ = NF_RDDATA8();} NF_nFCE_H();                   //打开nandflash片选   return i;}/********************************************************************函数功能：读nand flash一页数据。入口参数：ulPageNum：页索引pucBuffer：缓冲区bIsLargerPage：1：大页；0：小页返    回：读取字节数。备    注：无。********************************************************************/ int NandReadPage(U32 ulPageNum, U8 *pucBuffer, U8 bIsLargePage){switch(bIsLargePage) {case 0://return Nand_ReadSectorPage512(ulPageNum, buffer);case 1:return NandReadPage2048(ulPageNum, pucBuffer);}return 0;}/********************************************************************函数功能：读nand flash数据。入口参数：ulAddr：从哪个地址读ulSize：要读取的字节数pucBuffer：缓冲区返    回：成功：读取字节数；其他：出错。备    注：无。********************************************************************/ int NandRead(U32 ulAddr, U32 ulSize, U8 *pucBuffer){int i, j;/*检查参数*/if ( (ulAddr & (NAND_PAGE_SIZE-1)) || (ulSize & (NAND_PAGE_SIZE-1)) ){return ERR_PARAMETER;/* invalid alignment */}/*每次读一页*/for (i=ulAddr; i < (ulAddr + ulSize);) {if (i & (NAND_BLOCK_SIZE-1)== 0)  //==如果是块首，要检查坏块。{if ( NandIsBadBlock(i/NAND_BLOCK_SIZE, 1) ) {/* Bad block */i += NAND_BLOCK_SIZE;ulSize += NAND_BLOCK_SIZE;continue;}}j = NandReadPage(i/NAND_PAGE_SIZE, pucBuffer, 1);i += j;pucBuffer += j;}return ERR_SUCCESS;}/********************************************************************函数功能：写nand flash一页数据。（大页）入口参数：ulPageNum：页索引pucBuffer：缓冲区返    回：成功：读取字节数备    注：无。********************************************************************/ U32 NandWritePage2048(U32 ulPageNum, U8 *pucBuffer){U32 i;NF_nFCE_L();                   //打开nandflash片选NF_CLEAR_RB();                 //清RnB信号NF_CMD(CMD_WRITE1);             //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((ulPageNum) & 0xff); //行地址A12~A19NF_ADDR((ulPageNum >> 8) & 0xff); //行地址A20~A27NF_ADDR((ulPageNum >> 16) & 0xff); //行地址A28//读取一页数据内容for (i = 0; i < 2048; i++){  NF_WRDATA8(*pucBuffer++);} NF_CMD(CMD_WRITE2);             //页读命令周期2udelay(200);#if 0NF_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));#endif NF_DETECT_RB();                //等待RnB信号变高，即不忙NF_nFCE_H();                   //打开nandflash片选   return i;}/********************************************************************函数功能：写nand flash一页数据。入口参数：ulPageNum：页索引pucBuffer：缓冲区bIsLargerPage：1：大页；0：小页返    回：读取字节数。备    注：无。********************************************************************/ int NandWritePage(U32 ulPageNum, U8 *pucBuffer, U8 bIsLargerPage){switch(bIsLargerPage) {case 0://return Nand_ReadSectorPage512(ulPageNum, buffer);case 1:return NandWritePage2048(ulPageNum, pucBuffer);}return 0;}/********************************************************************函数功能：写nand flash数据。入口参数：ulAddr：写到哪个地址ulSize：要写的字节数pucBuffer：缓冲区返    回：成功：编程字节数；其他：出错。备    注：无。********************************************************************/int NandWrite(U32 ulAddr, U32 ulSize, U8 *pucBuffer){int i, j;/*检查参数*/if ( (ulAddr & (NAND_PAGE_SIZE-1)) || (ulSize & (NAND_PAGE_SIZE-1)) ){return ERR_PARAMETER;/* invalid alignment */}/*每次写一页*/for (i=ulAddr; i < (ulAddr + ulSize);) {if (i & (NAND_BLOCK_SIZE-1)== 0)  //==如果是块首，要检查坏块。{if ( NandIsBadBlock(i/NAND_BLOCK_SIZE, 1) ) {/* Bad block */i += NAND_BLOCK_SIZE;ulSize += NAND_BLOCK_SIZE;continue;}}j = NandWritePage(i/NAND_PAGE_SIZE, pucBuffer, 1);i += j;pucBuffer += j;}return ERR_SUCCESS;}/********************************************************************函数功能：擦除nand flash数据。入口参数：ulBlock：块索引返    回：成功：0；其他：出错。备    注：无。********************************************************************/ int NandErase(U32 ulBlockNum){if( NandIsBadBlock(ulBlockNum, 1) ){return ERR_ERASE_NANDFLASH;}NF_nFCE_L();                   //打开nandflash片选NF_CLEAR_RB();                 //清RnB信号NF_CMD(CMD_ERASE1);             //页读命令周期1NF_ADDR((ulBlockNum <<6 ) & 0xff); //行地址A12~A19NF_ADDR((ulBlockNum >> 2) & 0xff); //行地址A20~A27NF_ADDR((ulBlockNum >> 10) & 0xff); //行地址A28NF_CMD(CMD_ERASE2);             //页读命令周期2udelay(200);#if 0NF_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));#endif NF_DETECT_RB();                //等待RnB信号变高，即不忙NF_nFCE_H();                   //打开nandflash片选   return ERR_SUCCESS;}/********************************************************************函数功能：测试nand flash。入口参数：无。返    回：无。备    注：无。********************************************************************/ void NandTest(void){int ret;unsigned char data[4][1024];memset(data, 0x86, 4*1024);NandInit();NandReset();NandReadID();ret = NandErase(2);if(ret != ERR_SUCCESS){ DbgPrintX( DBG_NAND_LEVEL, "\rnand erase err=%2x\n",ret);return;}ret = NandWrite( 0x50000, 4*1024, (unsigned char *)data );if(ret != ERR_SUCCESS){ DbgPrintX( DBG_NAND_LEVEL, "\rnand write err=%2x\n",ret);return;}ret = NandRead(0x50000, 4*1024, (unsigned char *)0x31000000);if(ret != ERR_SUCCESS){ DbgPrintX( DBG_NAND_LEVEL, "\rnand read err=%2x\n",ret);return;}}