NandFlash操作原理及裸机程序分析

作者: ZebraWei | 来源:发表于2018-11-02 15:05 被阅读165次

一、NAND_FLASH操作原理

NAND FLASH原理图
NAND FLASH是一个存储芯片
那么: 这样的操作很合理"读地址A的数据，把数据B写到地址A"

问1. 原理图上NAND FLASH和S3C2440之间只有数据线，怎么传输地址？
答1．在DATA0～DATA7上既传输数据，又传输地址当ALE为高电平时传输的是地址，
那么在数据线上是不是只传输数据和只传输地址呢？
我们参考NAND FLASH的芯片手册可以知道，对NAND FLASH的操作还需要发出命令，下面有个NAND FLASH的命令表格

问2. 从NAND FLASH芯片手册可知，要操作NAND FLASH需要先发出命令怎么传入命令？
答2．在DATA0～DATA7上既传输数据，又传输地址，也传输命令：

当ALE为高电平时传输的是地址。
当CLE为高电平时传输的是命令。
当ALE和CLE都为低电平时传输的是数据。

问3. 数据线既接到NAND FLASH，也接到NOR FLASH，还接到SDRAM、DM9000等等
那么怎么避免干扰？
答3. 这些设备，要访问之必须"选中"，没有选中的芯片不会工作，相当于没接一样。

问4. 假设烧写NAND FLASH，把命令、地址、数据发给它之后，NAND FLASH肯定不可能瞬间完成烧写的，怎么判断烧写完成？
答4. 通过状态引脚RnB来判断：它为高电平表示就绪，它为低电平表示正忙

问5. 怎么操作NAND FLASH呢？
答5. 根据NAND FLASH的芯片手册，一般的过程是：

发出命令
发出地址
发出数据/读数据

看上面的命令表格，不容易看，我们看一下读ID的时序图，

每个NAND FLASH都内嵌一些ID(譬如：厂家ID，设备ID)，时序图从左往右看，纵向放是一列一列的看。
对于s3c2440来说，内部集成了一个NAND FLASH控制器，2440和外设连接的简易图，如下图所示

NAND FLASH控制器，帮我们简化了对NAND FLASH的操作，下面来分析一下不使用NAND FLASH控制器和使用NAND FLASH控制器对外设NAND FLASH的操作
发命令：

NAND FLASH	S3C2440
选中芯片	NFCMMD=命令值
CLE设为高电平
在DATA0~DATA7上输出命令值
发出一个写脉冲

发地址：

NAND FLASH	S3C2440
选中芯片	NFADDR=地址值
ALE设为高电平
在DATA0~DATA7上输出地址值
发出一个写脉冲

发数据：

NAND FLASH	S3C2440
选中芯片	NFDATA=数据值
ALE,CLE设为低电平
在DATA0~DATA7上输出数据值
发出一个写脉冲

读数据：

NAND FLASH	S3C2440
选中芯片	val=NFDATA
发出读脉冲
读DATA0~DATA7的数据

用UBOOT来体验NAND FLASH的操作：
1.读ID

	S3C2440	u-boot
选中	NFCONT的bit1设为0	md.l 0x4E000004 1; mw.l 0x4E000004 1
发出命令0x90	NFCMMD=0x90	mw.b 0x4E000008 0x90
发出地址0x00	NFADDR=0x00	mw.b 0x4E00000C 0x00
读数据得到0xEC	val=NFDATA	md.b 0x4E000010 1
读数据得到device code	val=NFDATA	md.b 0x4E000010 1
退出读ID的状态	NFCMMD=0xff	mw.b 0x4E000008 0xff

下图是读操作时序图

对于存储为256M的NAND FLASH，需要28条地址线，来表示这个地址值，根据原理图可以，只用8根地址线，所以需要4个周期的地址，为了兼容更大容量的NAND FLASH，要发出5个周期的地址：（如下图所示）
1.读数据

	S3C2440	u-boot
选中	NFCONT的bit1设为0	md.l 0x4E000004 1; mw.l 0x4E000004 1
发出命令0x00	NFCMMD=0x00	mw.b 0x4E000008 0x00
发出地址0x00	NFCMMD=0x00	mw.b 0x4E00000C 0x00
发出地址0x00	NFCMMD=0x00	mw.b 0x4E00000C 0x00
发出地址0x00	NFCMMD=0x00	mw.b 0x4E00000C 0x00
发出地址0x00	NFCMMD=0x00	mw.b 0x4E00000C 0x00
发出地址0x00	NFCMMD=0x00	mw.b 0x4E00000C 0x00
发出命令0x30	NFCMMD=0x30	mw.b 0x4E000008 0x30
读数据得到0x17	val=NFDATA	md.b 0x4E000010 1
读数据得到0x00	val=NFDATA	md.b 0x4E000010 1
读数据得到0x00	val=NFDATA	md.b 0x4E000010 1
读数据得到0xea	val=NFDATA	md.b 0x4E000010 1
退出读状态	NFCMMD=0xff	mw.b 0x4E000008 0xff

二、NandFlash时序及初始化

存储芯片的编程	NAND FLASH存储芯片编程
初始化	主控芯片的NAND FLASH控制器的初始化
识别	读取ID
读操作	一次读一个页(page)
写操作	一次写一个页(page)
擦除	一次擦除一个块(block)

NAND FLASH控制器的时序，是为了让NAND FLASH外设工作起来，假如外接不同的NAND FLASH外设，那么它的操作时序可能就会不同，所以NAND FLASH控制器发出的时序图，就是不一样的，所以我们根据NAND FLASH外设来设置NAND FLASH控制器。

NAND FLASH时序图，如下所示：

我们在汇编语言中已经设置HCLK为100MHZ，一个周期T = 1000/100 = 10s，通过上面三个图可以知道：TACLS的值可以为0；TWRPH0的值可以为1；TWRPH1的值可以为0。

所以NFCONF寄存器设置如下

#define  TACLS   0
#define  TWRPH0  1
#define  TWRPH1  0
/*设置NAND FLASH的时序*/
NFCONF = (TACLS<<12) | (TWRPH0<<8) | (TWRPH1<<4);

到此设置NAND FLASH的时序已经设置完了，我们接着来使能，使能实在NFCONT。

MODE [0]: 设置为1，使能NAND FLASH。
Reg_nCE [1]: 设置为1，禁止片选。因为我们现在还没有使用。为例错误的操作。
InitECC [4]: 初始化ECC的编码器，后边要使用，我们设置为1，来初始化。
所以NFCONF寄存器设置如下：

/*使能NAND FLASH控制器,初始化ECC，禁止片选*/
NFCONT = (1<<4) | (1<<1) | (1<<0);

三、NandFlash的芯片id读取

参考NAND FLASHh的芯片手册，如下图所示：（NAND FLASH读操作时序图）

一般先操作片选使能，只有片选使能之后才能进行后边的操作，片选是能代码如下：

void nand_select(void)
{
    /*使能片选*/
    NFCONT &=~(1<<1);
}

有使能片选，一定有禁止片选，禁止片选的代码如下：

void nand_deselect(void)
{
   /*禁止片选*/
   NFCONT |= (1<<1);
}

读ID的操作时序图，如下所示

按照从左往右的时间点，来分析，片选信号像一个总开关，只有使能了片选信号，后续的操作才会有意义，我们使能片选信号之后，片选引脚nCE后续一直为低电平，在前面的命令时序图中知道tCLS和tWP最小的时间参数都是12us，就表明CLE和nWE这两个信号可以同时发出，就表示要命令了，对于写什么命令，就要看数据总线上要发送的命令了，当CLE从高电平变为低电平后，表示上次的写操作已经结束了。

对于上面复杂的时序，我们可以使用2440上的NAND FLASH控制器简化操作，只需要往NFCMMD寄存器写入要传输的命令就可以了，NAND FLASH控制器默认把上面复杂的时序发出来。

发命令后，后面就需要发送地址了，当nWE和ALE有效的时候，表示写地址，上图中，要写入的地址是0x00，当ALE从高电平变为低电平的时候，表示写地址结束，我们可以简化为:往NFADDR寄存器中写值就可以了，比如：NFADDR=0x00。
下面写代码：发命令的函数，和发地址的函数代码如下：

void nand_cmd(unsigned char cmd)
{
    volatile int i;
    NFCCMD = cmd;
    for(i=0; i<10; i++);
}

void nand_addr_byte(unsigned char addr)
{
   volatile int i;
   NFADDR = addr;
   for(i=0; i<10; i++);
}

接下来就可以读取数据了，数据可以直接通过读取NFDATA寄存器里面数据来获得数据，根据时序图，是读5个字节的数据，代码如下：

unsigned char nand_data(void)
{
    return  NFDATA;
}

读芯片ID之前先打开片选，读取芯片ID函数，代码如下：

void nand_chip_id(void)
{ 
unsigned char buf[5]={0};

nand_select(); 
nand_cmd(0x90);
nand_addr_byte(0x00);

buf[0] = nand_data();
buf[1] = nand_data();   
buf[2] = nand_data();
buf[3] = nand_data();
buf[4] = nand_data();   
nand_deselect();    

printf("maker   id  = 0x%x\n\r",buf[0]);
printf("device  id  = 0x%x\n\r",buf[1]);    
printf("3rd byte    = 0x%x\n\r",buf[2]);        
printf("4th byte    = 0x%x\n\r",buf[3]);            
printf("page  size  = %d kb\n\r",1  <<  (buf[3] & 0x03));   
printf("block size  = %d kb\n\r",64 << ((buf[3] >> 4) & 0x03)); 
printf("5th byte    = 0x%x\n\r",buf[4]);
}

下面再写一个打印菜单的函数，在菜单中调用读取芯片ID的函数，代码如下:

void nand_flash_test(void)
{
char c;

while (1)
{
    /* 打印菜单, 供我们选择测试内容 */
    printf("[s] Scan nand flash\n\r");
    printf("[e] Erase nand flash\n\r");
    printf("[w] Write nand flash\n\r");
    printf("[r] Read nand flash\n\r");
    printf("[q] quit\n\r");
    printf("Enter selection: ");

    c = getchar();
    printf("%c\n\r", c);

    /* 测试内容:
     * 1. 识别nand flash
     * 2. 擦除nand flash某个扇区
     * 3. 编写某个地址
     * 4. 读某个地址
     */
    switch (c)       
    {
        case 'q':
        case 'Q':
            return;
            break;
            
        case 's':
        case 'S':
            nand_chip_id();
            break;

        case 'e':
        case 'E':
            break;

        case 'w':
        case 'W':
            break;

        case 'r':
        case 'R':
            break;
        default:
            break;
    }
}

在主函数中调用nand flash的初始化函数，和nand flash的测试函数。

int main(void)
{
   led_init();
   //interrupt_init();  /* 初始化中断控制器 */
   key_eint_init();   /* 初始化按键, 设为中断源 */
   //timer_init();

   puts("\n\rg_A = ");
   printHex(g_A);
   puts("\n\r");

   //nor_flash_test();
   nand_init();
   nand_flash_test();

   return 0;
}

四、NandFlash的数据读取

在上节我们实现了芯片ID的读取，可是那个程序已经超过了4k，我们想把它烧到开发板的话，必需把它烧写到NOR FLASH上去，这节我们来讲解NAND FLASH数据的读取，并且实现超过4k的程序从NAND FLASH启动。

下图为NAND FLASH内部结构图，从图中可以可以知道，一个page含有2k 字节的页数据，和64字节的oob区，后面会介绍页数据和oob区有什么关系。

图的表格，来说明NAND FLASH内部结构，前面2K(0_{2047)表示页数据，后边64字节(2048}2111)表示oob。

问：CPU想读取，第2048个数据，它是哪以一个？
答：是Page1的第0个字节。CPU使用某个地址访问数据的时候，是在页数据空间来寻址的，根本就看不到oob区。
我们知道NAND FLASH 和 NOR FLASH相比有个缺点，NAND FLASH读或写一页数据的时候，可能会发生位反转，里面可能有一位是错误的，为了解决这个问题，引入oob区，
它写页数据的时候，把数据写进页数据的同时会生成一个校验码，把这个校验码写进oob区里面，当读数据的时候，读出1页数据，读取1数据里面有可能有某一位发生错误，它继续读出原来的校验码，使用oob区里面的校验码，来修正页数据里面的数据。从这里我们可以得出一个结论，oob区的存在是为了解决NAND FLASH的缺陷而存在的。
CPU: 只关心数据，不需要看到oob区的校验码(把数据读出来，然后进行校验再把正确的数据返回，就可以了)。CPU想使用某个addr来访问数据的时候，addr是在页数据区间来寻址的，addr根本不会在oob区里面寻址。

为了形象在下面说一个幽默的对话来说明一下CPU和NAND FLASH的功能：
CPU大爷: 小nand啊，你的性能比不上小nor啊，听说你有位反转的毛病
Nand : 是的，大爷，位反转是我天生的毛病，时有时无
CPU大爷:靠，你说你价格便宜容量大，这不是害我嘛
Nand : 没事，我有偏方，用OOB就可以解决这问题
CPU大爷:得得得，你那偏方是什么也别告诉我，我只管能读写正确的数据
Nand : 是的，大爷，我这OOB偏方也就我自个私下使用。您就像使用nor一样使唤我就可以了。
下图为读NAND FLASH的时序操作：

读NAND FLASH步骤：(从程序的角度来说)，我们需要先发出00命令再发出5个周期的地址，再发出30命令，然后就可以读数据了。比如：我想访问某个地址的数据，需要确定在哪一行page(row)，在哪一列col(0~2047)。从NAND FLASH的地址周期中可以看出来，先发出2个col(列地址)，再发出3个(Row)行地址。
下面是程序的编写：

wait_ready函数等待NAND FLASHh空闲，从上图可以看出当NFSTAT寄存器[0]的值为1时NAND FLASH是空闲的，我们可以通过该位来判断NAND FLASH是否繁忙。代码如下：

void wait_ready(void)
{
    while (!(NFSTAT & 1));
}

nand_read函数为NAND FLASH的读函数，代码如下：

void nand_read(unsigned int addr, unsigned char *buf, unsigned int len)
{
int i = 0;
int page = addr / 2048;
int col  = addr & (2048 - 1);

nand_select(); 

while (i < len)
{
    /* 发出00h命令 */
    nand_cmd(00);

    /* 发出地址 */
    /* col addr */
    nand_addr_byte(col & 0xff);
    nand_addr_byte((col>>8) & 0xff);

    /* row/page addr */
    nand_addr_byte(page & 0xff);
    nand_addr_byte((page>>8) & 0xff);
    nand_addr_byte((page>>16) & 0xff);

    /* 发出30h命令 */
    nand_cmd(0x30);

    /* 等待就绪 */
    wait_ready();

    /* 读数据 */
    for (; (col < 2048) && (i < len); col++)
    {
        buf[i++] = nand_data();         
    }
    if (i == len)
        break;

    col = 0;
    page++;
}

nand_deselect();    
}

在init.c文件中，加上如下代码，用来判断所使用的FLASH是NOR FLASH还是NAND FLASH。代码如下：

int isBootFromNorFlash(void)
{
volatile unsigned int *p = (volatile unsigned int *)0;
unsigned int val = *p;

*p = 0x12345678;
if (*p == 0x12345678)
{
    /* 写成功, 对应nand启动 */
    *p = val;
    return 0;
}
else
{
    return 1;
}
}

在init.c文件中的copy2sdram函数里面加上如下代码，用来支持NAND FLASH启动，当isBootFromNorFlash函数的返回值为1时，是从NOR FLASH启动，当isBootFromNorFlash函数的返回值为0是，是从NAND FLASH启动。

if (isBootFromNorFlash())
{
    while (dest < end)
    {
        *dest++ = *src++;
    }
}
else
{
    nand_init();
    nand_read(src, dest, len);
}
}

五、NandFlash的擦除与烧写

我们本节需要做的事情：

实现nand_erase
实现nand_write
实现测试菜单
下面我们逐个来实现他们：

本节讲的NAND FLASH的烧写和擦除还是比较简单的，它只涉及到页数据区，不涉及到oob区，擦出的时候是以块为单位。下图为擦除的时序图：我们就根据擦除的时序图发出对应的命令和地址，NAND FLASH是以块为单位进行擦除的，假如我们传入len的值为1，但是它仍然会擦出一个块（128k字节），我们根据芯片手册，来操作NAND FLASH的擦出操作，函数功能：从addr地址开始，擦除len长度的数据。代码如下：

int nand_erase(unsigned int addr, unsigned int len)
{
int page = addr / 2048;

if (addr & (0x1FFFF))
{
    printf("nand_erase err, addr is not block align\n\r");
    return -1;
}

if (len & (0x1FFFF))
{
    printf("nand_erase err, len is not block align\n\r");
    return -1;
}

nand_select(); 

while (1)
{
    page = addr / 2048;
    
    nand_cmd(0x60);
    
    /* row/page addr */
    nand_addr_byte(page & 0xff);
    nand_addr_byte((page>>8) & 0xff);
    nand_addr_byte((page>>16) & 0xff);

    nand_cmd(0xD0);

    wait_ready();

    len -= (128*1024);
    if (len == 0)
        break;
    addr += (128*1024);
}

nand_deselect();    
return 0;
}

操作NAND FLASH之前要，选中芯片，然后就可以根据芯片手册来操作NAND FLASH的擦除操作了，操作完之后，要取消片选。

往NAND FLASH写数据时，只需要把要写的数据复制给NFDATA寄存器即可。代码如下

void nand_w_data(unsigned char val)
{
    NFDATA = val;
}

下图为烧写的时序图：

从上图中的NAND FLASH烧写时序图可以知道对于NAND FLASH的烧写，先发出0x80命令，再发出地址周期，然后发出要烧写的数据，最后发出0x10，就开始内部烧写，然后等待烧写成功。（我们写数据的时候是逐页写的，开始要烧写的数据地址可能不是该页的起始地址）。操作之前需要选中片选，操作完之后取消片选，代码如下:

void nand_write(unsigned int addr, unsigned char *buf, unsigned int len)
{
int page = addr / 2048;
int col  = addr & (2048 - 1);
int i = 0;

nand_select(); 

while (1)
{
    nand_cmd(0x80);

    /* 发出地址 */
    /* col addr */
    nand_addr_byte(col & 0xff);
    nand_addr_byte((col>>8) & 0xff);
    
    /* row/page addr */
    nand_addr_byte(page & 0xff);
    nand_addr_byte((page>>8) & 0xff);
    nand_addr_byte((page>>16) & 0xff);

    /* 发出数据 */
    for (; (col < 2048) && (i < len); )
    {
        nand_w_data(buf[i++]);
    }
    nand_cmd(0x10);
    wait_ready();

    if (i == len)
        break;
    else
    {
        /* 开始下一个循环page */
        col = 0;
        page++;
    }
    
}

nand_deselect();    
}

我们封装擦除操作NAND FLASH函数的时候，每一次擦除的大小是一个块(128*1024)代码如下：

void do_erase_nand_flash(void)
{
unsigned int addr;

/* 获得地址 */
printf("Enter the address of sector to erase: ");
addr = get_uint();

printf("erasing ...\n\r");
nand_erase(addr, 128*1024);
}

我们封装读取操作NAND FLASH函数，我们实现NAND FLASH每次的读取，每次读取64字节数据。把从地址addr读取得到的64字节数据存放到buf缓冲区中，然后通过串口显示出来，代码如下图所示：

void do_read_nand_flash(void)
{
unsigned int addr;
volatile unsigned char *p;
int i, j;
unsigned char c;
unsigned char str[16];
unsigned char buf[64];

/* 获得地址 */
printf("Enter the address to read: ");
addr = get_uint();

nand_read(addr, buf, 64);
p = (volatile unsigned char *)buf;

printf("Data : \n\r");
/* 长度固定为64 */
for (i = 0; i < 4; i++)
{
    /* 每行打印16个数据 */
    for (j = 0; j < 16; j++)
    {
        /* 先打印数值 */
        c = *p++;
        str[j] = c;
        printf("%02x ", c);
    }

    printf("   ; ");

    for (j = 0; j < 16; j++)
    {
        /* 后打印字符 */
        if (str[j] < 0x20 || str[j] > 0x7e)  /* 不可视字符 */
            putchar('.');
        else
            putchar(str[j]);
    }
    printf("\n\r");
}
}

NAND FLASH的烧写封装函数代码如下：

void do_write_nand_flash(void)
{
unsigned int addr;
unsigned char str[100];
int i, j;
unsigned int val;

/* 获得地址 */
printf("Enter the address of sector to write: ");
addr = get_uint();

printf("Enter the string to write: ");
gets(str);

printf("writing ...\n\r");
nand_write(addr, str, strlen(str)+1);

}

NAND FLASH的测试菜单函数代码如下：

void nand_flash_test(void)
{
char c;

while (1)
{
    /* 打印菜单, 供我们选择测试内容 */
    printf("[s] Scan nand flash\n\r");
    printf("[e] Erase nand flash\n\r");
    printf("[w] Write nand flash\n\r");
    printf("[r] Read nand flash\n\r");
    printf("[q] quit\n\r");
    printf("Enter selection: ");

    c = getchar();
    printf("%c\n\r", c);

    /* 测试内容:
     * 1. 识别nand flash
     * 2. 擦除nand flash某个扇区
     * 3. 编写某个地址
     * 4. 读某个地址
     */
    switch (c)       
    {
        case 'q':
        case 'Q':
            return;
            break;
            
        case 's':
        case 'S':
            nand_chip_id();
            break;

        case 'e':
        case 'E':
            do_erase_nand_flash();
            break;

        case 'w':
        case 'W':
            do_write_nand_flash();
            break;

        case 'r':
        case 'R':
            do_read_nand_flash();
            break;
        default:
            break;
    }
}
}

NandFlash操作原理及裸机程序分析

一、NAND_FLASH操作原理

二、NandFlash时序及初始化

三、NandFlash的芯片id读取

四、NandFlash的数据读取

五、NandFlash的擦除与烧写

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