第5课 NAND FLASH 控制器

来源：互联网发布：国内大数据公司编辑：程序博客网时间：2024/05/16 11:16

从硬件上访问Nand flash

1,.命令 CLE

2.Addr ALE

3 数据

从软件上，2440通过NAND FALSH控制器来控制。

C语言的函数参数分别对应于寄存器R0，R1，R2，R3

ATPCS即ARM-THUMB procedure call standard（ARM-Thumb过程调用标准）的简称。

这篇文章不是介绍 nand flash的物理结构和关于nand flash的一些基本知识的。你需要至少了解你手上的 nand flash的物理结构和一些诸如读写命令

操作的大概印象，你至少也需要看过 s3c2440中关于nand flash控制寄存器的说明。

由于本人也没有专门学过这方面的知识，下面的介绍也是经验之谈。

这里我用的 K9F2G08-SCB0 这款nand flash 来介绍时序图的阅读。不同的芯片操作时序可能不同，读的命令也会有一些差别。

当然其实有时候像nand flash这种 s3c2440内部集成了他的控制器的外设。具体到读写操作的细节时序(比如 CLE/ALE的建立时间，写脉冲的宽度。数据的建立和保持时间等)，不明白前期也没有多大的问题。

因为s3c2440内部的nand flash控制器做了大部分的工作，你需要做的基本就是设置几个时间参数而已。然后nand flash会自动进行这些细节操作。

当然如果处理器上没有集成 nand flash的控制器那么久必须要自己来写时序操作了。所以了解最底层的时序操作总是好的

但是上层一点的，比如读写操作的步骤时序（比如读操作，你要片选使能，然后发命令，然后发地址，需要的话还需发一个命令，然后需要等待操作完成，然后再读书数据）。

是必须要明白的。这都不明白的话，怎么进行器件的操作呢

也就是说 s3c2440 可以说在你设置很少的几个时间参数后，将每一个步骤中细微的操作都替你做好了。（比如写命令，你只要写个命令到相应寄存器中，cpu内部就会协各个引脚发出

适应的信号来实现写命令的操作）。

而我们所需要做的就是把这些写命令，写地址，等待操作完成。等步骤组合起来。从而完成一个读操作

就像上面说的，虽然我们不会需要去编写每个步骤中的最细微的时序。但是了解下。会让你对每个操作步骤的底层细节更加明了

先来看一个命令锁存的时序。也就是上面说的读 nand flash操作中不是有一个写命令步骤吗。那么这个步骤具体是怎么实现的。

首先我们肯定是要片选 nand flash。只有选中芯片才能让他工作啊

nand flash是通过 ALE/CLE (高电平有效)来区分数据线上的数据时命令（CLE有效），地址（ALE有效）还是数据（CLE/ALE都无效）。

那么这里既然是写命令那么就一定是 CLE有效（高电平） ALE无效（低电平）。

同样命令既然是写给nand flash的那么肯定有一个写周期。我们需要注意的是，写是在上升沿有效还是下降沿有效。

时序图如下：

1 这里是命令锁存是时序，那么我们要注意的其实就只有 CLE 为高电平期间这段时序。（写命令啊，CLE有效时（高电平）指示现在的数据其实命令）ALE此时一定为低电平我们可以不关心他

2 所以，CLE为低电平的时期，其他大部分引脚上都是灰色的阴影，这代表我们不需要关心这段时期这些引脚的电平

3 那么这个数据是什么时候被nand flash读取到的呢，注意到 nWE信号在上升沿有一个贯穿所有其他引脚时序的竖线（这好像是叫生命线？我也不清楚）

这就是说明，写入的数据（命令也是数据啊，只是可以通过CLE有效来区分）是在 WE的上升沿有效。

也就是说，虽然 WE是在低电平有效，但并不是说 WE一变成低电平，命令就被锁存了（即真正获得命令）而是在 WE 的上升沿，命令才真正被锁存。

知道了上面这三点，也就知道了一个大概，那么剩下的图中也只剩那些 txx 的标号。明显它指的是时间，但是具体指什么时间呢。

指的就是箭头两边所指的两条竖线之间的时间。（在每个信号的跳变沿，都有小竖线）

剩下的就是这些时间到底是代表什么了。这里没什么难的，刚接触的觉得看不懂。是因为之前从来没接触过。（就像单片机刚学的时候不也是各种不懂，原因就是我们从没接触过）。
这些时间标号，在数据手册的前面都有说明

比如 tCLS tCLH 从数据手册中我们可以看到分表代表的 CLE建立时间，和CLE信号保持时间。

简单点你可以理解为，我让 CLE引脚变成高电平，总得给人间一点时间去变成高电平吧。总不能瞬间就变成高电平

不过从时序图中我们能看到更多的端倪，之前不是说过 WE 的上升沿上不是有一个最长贯穿其他信号线的竖线吗。我们说他指示了，数据（命令也是数据）

是在上升沿被锁存的，在 WE 的上升沿，我写到数据线上的命令数据才真正被锁存（接收），但是我们注意到 CLE 信号在WE上升沿之前有就有效了。

所以我们说，在命令数据真正被锁存之前，CLE 有效的那段 tCLS 时间叫做 CLE信号建立时间。

WE上升沿后。命令已经被接受了，但这时候 CLE 其实可以变为无效了，因为已经获取到命令了

但是他并没有立刻结束，而是 Tclh时间之后才结束。那么我们称这段时间 tCLH 为 CLE 保持时间。

那么再根据手册中的说明 tCS 表示片选信号建立时间，tCH表示片选信号保持时间

tDS表示数据建立时间，tDH表示数据保持时间

这里我们看到一个小规律，在数据手册中以 S 结尾的时间通常指的是建立时间，以 H 结尾的时间指的是保持时间

这里命令锁存的时序就分析完了。我们再来看看地址锁存时序图，这个图有点复杂，

因为nand flash的特性是地址周期通常需要好几个，就是一个地址是分几次发送的

再给出数据手册中对应时间标号的说明

同样我们按照上面分析的步骤

1 这里是地址锁存是时序，那么我们要注意的其实就只有 ALE 为高电平期间这段时序。（写命令啊，ALE有效时（高电平）指示现在的数据其实是地址）CLE此时一定为低电平，可以不用管

2 所以，ALE 为低电平的时期，其他大部分引脚上都是灰色的阴影，这代表我们不需要关心这段时期这些引脚的电平

3 同样 WE 的上升沿有一个贯穿其他信号线的长竖线，这也是代表数据（这里其实是地址）在上升沿被锁存

那么剩下的也好理解

tCLS 这个我们不需要关心，因为 CLE 压根就是无效的。

tCS 就像之前分析的，它是指 CE片选信号在 WE上升沿也就是锁存地址之前的有效时间，也就是 CE 建立时间

tWC 呢? 不知道？不知道看手册啊，前面也说过这些时间标号在手册中都会给出。

从上面手册的解释我们看到，它指的是一个写周期的时间

tWP 写脉冲宽度（也就是 WE是低电平有限，twp指低电平持续时间，就是有效时间）

tWH 好理解了，就是高电平时间

ALS 这不就是地址信号 ALE 建立时间嘛

ALH ALE信号有效保持时间啊

TDS TDH 数据建立和保持时间

就像上面对命令时序的分析，这里信号的建立和保持时间都是以数据被锁存分界点(WE上升沿)

看到这里相信仔细看的人，应该大致该如何看一个时序图了，但是这里我们牵涉到的无非都是一些上面建立/保持时间。

复杂点的呢。

下面就来看一个复杂点的时序图，其实也不复杂，主要是说明如何在不看手册就能知道 txx指的是什么时间

这个时序其实并不复杂，只是他不是像上面分析的那样都是一些建立时间和保持时间。这里牵涉到跟多的时间标号

不过就像前面说的. 看手册！手册里对每个时间参数都有说明。不过初学者通常即使看手册，对这些时间参数也是不知道是什么意思。

这里我们看手册前，先来自己分析下。方法会了，手册就成了验证你对不对的东西了，而不是你寻找答案的东西。

TRC 这个参数有点简单。看他的范围是一个 RE周期的时间，那么就跟前面的 tWC 应该是一样的。那它应该代表的就是 RE信号的一个周期时间（读信号的一个周期）

TREA 呢？看标号看不出所以然，那么我们就看他的起始和结束时间从时序图能看到，这个指的是从 RE有效（变低）到数据出现之间的时间。

那么tREA 可想而知就应该是读信号有效到数据被读之间的时间

后面的都是这个同样的分析方法

比如最后的那个 tRHZ 是从 RE 无效（高电平）到数据线变成高阻态之间的时间（数据线画在中间表示的是高阻态）

看下手册中的解释也基本就是这个意思

到这里对于时序图怎么看，相信大家都应该能理解了。甚至可能连手册都不用看，就知道他是什么意思了。因为我们能从时间的起始地址来推测时间标号的意思

上面这些分析，都是很底层的操作，如果我们使用 s3c2440 这种高级的处理器这些时序操作我们根本不需要去实现，顶多也就往几个寄存器中

设置一下上面说的一些时间然后，CPU 中的 nand flash控制器会自动完成上面所的所有操作。但是还需要了解的原因是，如果你碰到一个没有

nand flash 控制器的处理器怎么办，那你只能亲自实现这些具体的写命令，写地址。等等单元操作。

然后才能将这些单元操作组合成读数据，写数据等操作（上面说过比如读操作他并不是一个简单的命令而是一系列操作，你要片选使能，然后发命令(读命令)，

然后发地址（要读的数据的地址），需要的话还需发一个命令，然后需要等待操作完成，然后读书数据）

说完了这些具体的单元操作，那么我们再来看看一个读操作具体需要哪些步骤。也就是我们需要真正必须掌握的时序操作

对于我这款 nand flash 读操作时序如下

我们要注意的主要是最下面一行即 I/Ox 信号线的状态，他指示了读操作需要哪些，单元步骤。

1 首先我们看到有一个 0x00 是什么？数据？地址？命令？看 ALE/CLE线啊，这两根线不是决定了现在的数据的类型嘛

顺着往上看，我们知道0x00是在 CLE有效期间的数据那么它就是一个命令

2 然后是 address(5Cycle) 即五个地址序列(这款nand flash 指定读数据的地址时要发送五个地址序列)，往上看，是在ALE有效期间的数据，那么应该就是地址了

（对于这五个地址，前面两个是列地址，后面三个是行地址。在nand flash的物理结构中行地址对应的某一页，列地址就对应这一页中的某一列）

3 接着又是 0x30，此时 CLE有效，那么就是命令了（也就是说这款nand flash的读操作需要两个命令）。

但是之后数据并未立刻出来，我们看到在到 DATA Output即数据输出之前还有一段时间，为什么有这段时间？

往上看 R/nB 这个数据线上说明了原因，这段时间内它是低电平即指示现在处于忙碌状态，还未准备好数据输出。为什么会这样？

因为你写了一个命令，写了要读数据的地址，又写了一个命令。你总要给 cpu一些时间去处理这些命令吧，

R/nB为低电平这段时间就是在处理这些命令（实际上是根据命令将你定位的那一页数据读到内部寄存器中），

等 R/nB变成高电平了，就指示命令处理完毕，现在数据也就可以读出来了。

综上我们从手册中我们就知道了读操作的具体步骤，

1 首先nand flash 也是一个外设，要访问他就需要片选它，所以在执行时序图上的步骤之前需要片选nand flash.

2 看后面就是安装时序图来了，看时序图! 第一步先是发送一个命令 0x00.

3 看时序图！然后发送五个地址序列（先发送两个列地址，在发送三个行地址（即页地址））

4 看时序图！接着再是一个命令 0x30.

5 看时序图！ R/nB 引脚为低表示现在正忙，正在处理这些命令，那就要等待 R/nB 引脚变为高电平

6 看时序图！这个时候就可以读数据了

7 一次读操作结束了 nand flash 暂时是不需要使用了，那么别忘了应该取消片选信号。

至于这每一个步骤中具体的时序，cpu中的nand flash控制器会帮我们完成。我们要做就是设置几个时间参数

这里我们反复强调了要看时序图。其实学嵌入式前期对数据手册一定要多看，看多了你就回知道，什么东西的你重点要看的，什么是和你的编程操作无关的你不需要关心。这样后面你才能，拿到一个外设就能写出他的操作。而不用跟着书背步骤。只要手册在就行了。

上面的步骤，是一个具体的读操作的步骤，不过在使用一个器件之前我们需要初始化一下它。至于初始化也就是设置我们上面多次提到的

我们说过 s3c2440已经帮我做了很多底层的单元操作，我们只需设置几个时间参数片内的 nand flash就会自动发出相应操作的时序操作

那么到底设置那几个时间呢。

s3c2440 手册上给出了需要我们设置的几个参数。

从中我们可以看出第一幅时序图是命令和地址锁存的时序，第二幅是数据读取和写入的时序。
可以看出，他们要设置的时间都是一样的。前面分析了那么多，这里应该不难看出

1 TACLS 很明表示的是 CLE/ALE 的建立时间（这里并不准确，其实是 CLE/ALE有效到 WE 变成低电平之间的时间，但 WE 却是在上升沿才锁存命令/地址）

2 TWRPH0 代表的是 WE 的脉冲宽度，即有效时间

3 TWRPH1 代表的是 CLE/ALE 的保持时间

那到底设置成什么数字呢。既然上图中读/写/命令/地址操作需要的时间参数都是一样的

那么我们从 nand flash中随便找一个命令时序来对照不就行了

就拿上面我们说过的命令锁存时序来对比

那么我们就能得到下面的关系

TWRPH0 = tWP

TWRPH1 = tCLH

TACLS = tCLS - tWP

然后设置成多少呢？看手册啊，手册中对 tWP tCLH tCLS 都会至少给出需要的最小时间

这款芯片nand flash手册中这三个参数要求是

所以 TWRPH0 = tWP >=12ns

TWRPH1 = tCLH >=5ns

TACLS = tCLS - tWP >=0；

而这三个参数在s3c2440的数据手册中说明为

当然这里的时间都是以 HCLK 为单位的，这几个参数是在 nand flash控制寄存器中的 NFCONF中设置的

这里我没用使用MPLL 所以HCLK是 12MHZ

所以 TWRPH0 = 0 TWRPH1 =0 TACLS =0; (如果你的时钟频率比较高，那就要设别的数了。当然有是有你真不知道，设置大点总没错，只不过速度可能会慢点。)

所以 NFCONF =0;（NOFCONF其他位数据手册中有说明，这里只是简单读操作，其他位可以不设置）

然后是初始化一下 ECC 使能nand flash控制器（我们只是设置了几个时间参数，时序的具体操作就是靠他来完成的，所以要使能他）

然后先　取消片选nand flash 因为我们现在还没有操作它啊，只是初始化一下。所以还是应该先取消片选，等真正读的时候再使能片选信号

NFCONT = (1<<4) | (1<<1) (1<<0);

（数据手册中有对应位的说明）

最后，第一次使用nand flash 我们需要复位操作一下。

综上，nand flash 的初始化代码如下

void nand_init(void){

NFCONF =0;

NFCONT = (1<<4) | (1<<1) | (1<<0);

nand_reset(); //nand reset代码在后面

}

下面代码一些地址的写法是与 nand flash 型号有关的。具体需要参考芯片手册

void select_chip(void){

NFCONT &= (~(1<<1)) ;

int i;

for(i=10;i>0;i--);

}

void deselect_chip(void){

NFCONT |= (1<<1);

int i;

for(i=10;i>0;i--);

}

void write_command(unsigned char command){

NFCMMD = command;

int i;

for(i=10;i>0;i--);

}

这款nand flash 的页大小是 2K

五个地址周期 (2个列地址和3和行地址（页地址）)

void write_address(unsigned int address){

unsigned int page = address/2048;

unsigned int col = address&2048;

int i;

NFADDR = col & 0xff;

for(i=5;i>0;i--);

NFADDR = (col >>8) & 0x0f;

for(i=5;i>0;i--);

NFADDR = page & 0xff;

for(i=5;i>0;i--);

NFADDR = (page >>8)& 0xff;

for(i=5;i>0;i--);

NFADDR = (page >>16)&0x01;

for(i=5;i>0;i--);

}

unsigned char read_one_data(void){

return NFDATA;

int i;

for(i=10;i>0;i--);

}

void wait_ready(void){

while(!(NFSTAT & 1));

int i;

for(i=10;i>0;i--);

}

static void nand_reset(void){

select_chip();

write_command(0xff);

wait_ready();

deselect_chip();

}

void nand_init(void){

NFCONF =0;

NFCONT = (1<<4) | (1<<1) | (1<<0);

nand_reset();

}

nand flash 的读操作是以页为单位的。

des: nand flash中读出的数据放到哪

start_addr：从哪里开始读

size: 读多大

void nand_read(unsigned char *des,unsigned int start_addr,unsigned int size){

unsigned int col = start_addr & 2048;

select_chip();

unsigned int start = start_addr;

unsigned int end = start_addr + size;

while(start < end){ //每读一页需要发一次命令

write_command(0x00);

write_address(start);

write_command(0x30);

wait_ready();

while((col<2048) && (start<end)){ //在一页中读，我用的型号一页大小为2K

*des = read_one_data();

des++;

col++;

start++;

}

col =0;

}

deselect_chip();

}

TACLS:从CLE/ALE有效到nWE有效持续的时间 = tcls - twp

TWRPH0 = twp

TWRPH1 = tCLH

这款nand flash 的页大小是 2K

五个地址周期 (2个列地址和3和行地址（页地址）)

void write_address(unsigned int address){

unsigned int page = address/2048;

unsigned int col = address&2048;

int i;

NFADDR = col & 0xff;

for(i=5;i>0;i--);

NFADDR = (col >>8) & 0x0f;

for(i=5;i>0;i--);

NFADDR = page & 0xff;

for(i=5;i>0;i--);

NFADDR = (page >>8)& 0xff;

for(i=5;i>0;i--);

NFADDR = (page >>16)&0x01;

for(i=5;i>0;i--);

}

如何计算Nand Flash要传入的行地址和列地址

 　　在介绍具体读取数据的详细流程之前,还要做一件事,那就是,先要搞懂我们要访问的地址,以及这些地址,如何分解后,一点点传入进去,使得硬件能识别才行。    此处还是以 K9F8G08U0A 为例,此 Nand Flash,一共有 8192 个块,每个块内有 64 页,每个页是 2K+64 Bytes,假设,我们要访问其中的第 7000个块中的第 64 页中的 1208 字节处的地址,此时,我们就要先把具体的地址算出来:        物理地址 = 块大小×块号+页大小×页号+页内地址            =7000×128K+64×2K+1208            =0x36B204B8    接下来,我们就看看,怎么才能把这个实际的物理地址,转化为 Nand Flash 所要求的格式。在解释地址组成之前,先要来看看其datasheet 中关于地址周期的介绍:

    结合图,我们可以看出,此 Nand Flash 地址周期共有 5 个,2 个列(Column),3个行(Row)周期,而对于对应地,我们可以看出,实际上,列地址 A0~A10,就是页内地址,地址范围是从0 到2047,而对出的 A11,理论上可以表示 2048~4095,但是实际上,我们最多也只用到了2048~2011, 用于表示页内的oob区域,其大小是 64 字节。对应地,A12~A30,称作页号,页的号码,可以定位到具体是哪一个页。而其中,A18~A30,表示对应的块号,即属于哪个块。    简单解释完了地址组成,那么就很容易分析上面例子中的地址了:   0x36B204B8 = 0011 0110 1011 0010 0000 0100 1011 1000,分别分配到5个地址周期就是:   1st周期,A7~A0:     1011 1000 = 0xB8   2nd周期,A11~A8:    0000 0100 = 0x04   3rd周期,A19~A12:    0010 0000 = 0x20   4th 周期,A27~A20:    0110 1011 = 0x6B   5th 周期,A30~A28:     0000 0011 = 0x03    注意,与图中对应的*L,意思是地电平,由于未用到那些位,datasheet中强制要求设为0,所以,才有上面的2nd周期中的高4位是0000.其他的A30之后的位也是类似原理,都是 0。    因此,接下来要介绍的,我们要访问第 7000 个块中的第 64 页中的 1208 字节处的话,所要传入的地址就是分 5 个周期,分别传入两个列地址:0xB8,0x04,然后再传3个行地址:0x20,0x6B,0x03,这样硬件才能识别。

操作地址：对一个1GByte的nand，可以用30位二进制来表示地址，即A0-A29,当我们希望读取某一个地址中的数据时，那么应该怎样给出这个地址呢，比如我要访问0x9000000这个地址开始的数据，那么这个地址又是否包含oob区域呢(实际上并不包含)。

首先对于nand操作本身来说就没有比页更小的单位(但是可以按字节读写)，所以我们给出的地址其实是要进行地址分解的，分解为行地址(页偏移)和列地址(页内偏移)，比如K9K8G08U0B(page=2048Byte)就从A11开始分，A0-A10为列址，A11-A29为行地址，那么oob怎么访问呢，举个例子：

假如我们要访问的地址是2050，那么现在开始分解，首先将2050右移11位，即除以2048进行页对齐处理，其实就是将A0-A10作为列址，A11-A29作为行地址，分别放到两个变量中结果就是row=1，col=2，那么最后读写的数据到底是什么呢(如果包含oob区域，那读写的数据肯定是oob区的数据)，实际上就是跳过第一页(跳过包括oob区域)到第二页中读写2这个地址的数据。

到这里我们应该清楚了，不管用户给出什么样的地址，这个地址偏移都是针对数据区域而不会包含oob区的，如果非要读取oob区，那么在分解地址的时候，可以将列地址加上2047(col=col+2047)，否则读写的就只是数据区(如果读完数据区继续向后读写的话也可以读写到oob区，因为系统会自动累加列地址)。

1、不同容量的nandflash命令是有差异的。。

2、对于超过4k的程序必须有程序copy程序。。。。

3、对于mini2440来说

col = addr & NAND_BLOCK_MASK_LP;
        page = addr / NAND_SECTOR_SIZE_LP;

        *p = col & 0xff;
        for(i=0; i<10; i++);
        *p = (col >> 8) & 0x0f;
        for(i=0; i<10; i++);
        *p = page & 0xff;
        for(i=0; i<10; i++);
        *p = (page >> 8) & 0xff;
        for(i=0; i<10; i++);
        *p = (page >> 16) & 0x03;
        for(i=0; i<10; i++);
这个注释中表的三个行地址分别是A12~A19， A20~A27， A28~A29。但实际代码中给的却是A11~A18，A19~A26，A27~A28。因为NAND_SECTOR_SIZE_LP等于2048，所以page就等于addr右移了11位，所以这个行地址的第一位就是A11

ｎａｎｄ要求ｃｐｕ必须把输入给它的地址中的Ａ０～Ａ１０放到它自己的的Ａ０～Ａ１１中，而把ｃｐｕ输入的Ａ１１～Ａ２７地址放到自己的Ａ１２～Ａ２８中。所以上面代码中移位后的地址对应着ｃｐｕ发出的地址，而注解中对应的却是ｎａｎｄ自己的地址，之所以出现ｃｐｕ发出的Ａ１１也输入到ｎａｎｄ的Ａ０～Ａ１１中，Ａ２8输入到Ａ２８～Ａ２９中(实际上是cpu的A27输入到nand的A28中)，是因为资料手册中说的，ｃｐｕ发出的多余地址，ｎａｎｄ会自动把它省略掉

//#define NAND_SECTOR_SIZE_LP 2048

//#define NAND_BLOCK_MASK_LP (NAND_SECTOR_SIZE_LP - 1)

col = addr & NAND_BLOCK_MASK_LP; //收下地址前11位，屏蔽高位

page = addr / NAND_SECTOR_SIZE_LP;//屏蔽地址前11位，收下高位

带入NAND_BLOCK_MASK_LP和start_addr按位与，size & NAND_BLOCK_MASK_LP同理，条件通过，就是对齐

这个注释中表的三个行地址分别是A12~A19， A20~A27， A28~A29。但实际代码中给的却是A11~A18，A19~A26，A27~A28。因为NAND_SECTOR_SIZE_LP等于2048，所以page就等于addr右移了11位，所以这个行地址的第一位就是A11

http://bbs.csdn.net/topics/360034390

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