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NOR Flash操作原理及裸机程序分析

NOR Flash操作原理及裸机程序分析

作者: ZebraWei | 来源:发表于2018-10-26 15:43 被阅读188次

    版权声明:本文为小斑马学习总结文章,技术来源于韦东山著作,转载请注明出处!

    一、Nor Flash原理及硬件操作

    Norflash:它像内存一样是直接挂在系统总线上的,这样有足够多的地址线使得CPU能够寻址到每一个存储单元上去,这也意味着CPU能够直接通过总线访问NorFlash上存储的内容,同时它还支持XIP(片选内存上执行,不用将代码拷贝到内存中,直接在NorFlash上就能运行)。
    NorFlash的硬件接线:Nor Flash的连接线有地址线,数据线,片选信号读写信号等,Nor Flash的接口属于内存类接口,Nor Flash可以向内存一样读,但是不能像内存一样写,需要做一些特殊的操作才能进行写操作,读只需像内存一样读很简单。
    Nor Flash原理图如图:

    二、Flash介绍

    常用的Flash类型有Nor Flash和Nand Flash两种。

    - NorFlash NandFlash
    XIP(代码可以直接运行) Yes No
    性能(擦除) 非常慢(5s) 快(3ms)
    性能(写)
    性能(读))
    性能(写)
    可靠性 较高,位反转的比例小于NAND Flash的10% 比较低,位反转比较常见,必须有校验措施,比如TNR必须有坏块管理措施
    可擦除次数 10000 ~ 100000 100000 ~ 1000000
    生命周期 低于NAND Flash的10% 是Nor Flash的10倍以上
    接口 与RAM接口相同 I/O接口
    易用性 容易 复杂
    主要用途 常用于保存代码和关键数 用于保存数据

    Nor Flash支持XIP,即代码可以直接在Nor Flash上执行,无需复制到内存中。这是由于NorF lash的接口与RAM完全相同,可以随机访问任意地址的数据。Nor Flash进行读操作的效率非常高,但是擦除和写操作的效率很低,另外,Nor Flash的容量一般比较小。NAND Flash进行擦除和写操作的效率更高,并且容量更大。一般而言,Nor Flash用于存储程序,NAND Flash用于存储数据。基于NAND Flash的设备通常也要搭配Nor Flash以存储程字。
    Flash存储器件由擦除单元(也称为块)组成,当要写某个块时,需要确保这个块己经被擦除。Nor Flash的块大小范围为64kB、128kB:NAND Flash的块大小范围为8kB,64kB,擦/写一个Nor Flash块需4s,而擦/写一个NAND Flash块仅需2ms。Nor Flash的块太大,不仅增加了擦写时间,对于给定的写操作,Nor Flash也需要更多的擦除操作——特别是小文件,比如一个文件只有IkB,但是为了保存它却需要擦除人小为64kB—128kB的Nor Flash块。
    Nor Flash的接口与RAM完全相同,可以随意访问任意地址的数据。而NAND Flash的接口仅仅包含几个I/O引脚,需要串行地访问。NAND Flash一般以512字节为单位进行读写。这使得Nor Flash适合于运行程序,而NAND Flash更适合于存储数据。
    对于Flash存储器件的可靠性需要考虑3点:位反转、坏块和可擦除次数。所有Flash器件都遭遇位反转的问题:由于Flash固有的电器特性,在读写数据过程中,偶然会产生一位或几位数据错误(这种概率很低),而NAND Flash出现的概率远大于Nor Flash,当位反转发生在关键的代码、数据上时,有可能导致系统崩溃。当仅仅是报告位反转,重新读取即可:如果确实发生了位反转,则必须有相应的错误检测/恢复措施。在NAND Flash上发生位反转的概率史高,推荐使用EDC/ECC进行错误检测和恢复。NAND Flash上面会有坏块随机分布在使用前需要将坏块扫描出来,确保不再使用它们,否则会使产品含有严重的故障。NAND Flash每块的可擦除次数通常在100000次左右,是Nor Flash的10倍。另外,因为NAND Flash的块大小通常是NorF lash的1/8,所以NAND Flash的寿命远远超过Nor Flash。

    三、Nor Flash的操作

    下面我们使用u-boot来体验Nor Flash的操作(开发板设置Nor启动,进入u-boot)。
    1).使用OpenJTAG烧写UBOOT到Nor Flash
    那么我们怎么用u-boot来操作呢?
    Nor Flash手册里会有一个命令的表格,如图:


    下面简单的举一些例子:
    复位(reset):往任何一个地址写入F0。
    读ID(ReadSiliconID):很多的Nor Flash可以配置成位宽16bit(Word),位宽8bit(Byte)。对于我们使用的jz2440开发板使用是位宽16bit,怎样读ID呢?
    根据前面得图可知,往Nor Flash的555地址写AA,再往2AA的地址写入55,再往555的地址写入90,然后就可以读ADI地址,就可以读到DDI数据了
    实例1
    读数据:
    在u-boot上执行:md.b0
    结果(和我们烧进去的数据完全一样):
    00000000:170000ea14f09fe514f09fe514f09fe5................
    00000010:14f09fe514f09fe514f09fe514f09fe5................
    00000020:6001f833c001f8332002f8337002f833`..3...3..3...3
    00000030:e002f8330004f8332004f833efbeadde...3...3..3....
    

    可以得出结论:u-boot可以像读内存一样来读nor flash
    实例2
    读ID(参考Nor手册)

    • 往地址555H写入AAH(解锁)
    • 往地址2AAH写入55H(解锁)
    • 往地址555H写入90H(命令)
    • 读0地址得到厂家ID(C2H)
    • 读1地址得到设备ID(22DAH或225BH)
    • 退出读ID状态:给任意地址写F0H就可以了。
      下图为2440和Nor Flash的简易连接图:


    为什么Nor Flash的地址线A0是接在2440的LADDR1上?
    因为NorFlash的数据共有16位,也就是每个地址保存了2B数据,而我们的2440每个地址是保存的1B数据,
    比如:当2440访问0X00地址时,就会读取到Nor上0地址的2B数据,然后2440的内存控制器会根据0x00来找到低8位字节,并返回给CPU,当2440访问0x01地址时,由于2440的LADDR0线未接,所以还是访问Nor的0地址上的2B数据,然后内存控制器会根据0x01来找到高8位字节,并返回给CPU。
    根据NorFlash的原理图:在硬件连接上,Nor的地址线与cpu的地址线错开1位。相对于cpu也就是我们写程序的时候,需要将addr<<1,这样cpu错位的地址线发出的地址正好对上nor需求的地址。
    下面对在Nor Flash的操作,2440的操作,U-BOOT上的操作进行比较,如下表:

    Nor Flash的操作 2440的操作 U-BOOT上的操作
    往地址555H写入AAH(解锁) 往地址AAAH写入AAH(解锁) mw.waaaaa
    往地址2AAH写入55H(解锁) 往地址554H写入55H(解锁) mw.w 554 55
    往地址555H写入90H(命令) 往地址AAAH写入90H(命令) mw.w aaa 90
    读0地址得到厂家ID(C2H) 读0地址得到厂家ID(C2H) md.w 0 1 (1:表示都一次)
    读1地址得到设备ID(22DAH或225BH) 读2地址得到设备ID(22DAH或225BH) md.w 2 1 (1:表示都一次)
    退出读ID状态:给任意地址写F0H就可以了 退出读ID状态:给任意地址写F0H就可以了 mw.w 0 f0
    • 1.当执行过
      md.w 0 1
      结果(输出厂家ID):
      00000000:00c2..(00c2就是厂家ID)
    • 2.当执行过
      md.w 2 1
      结果(输出设备ID):
      00000002:2249I"(2249就是设备ID)
    • 3.当执行
      mw.w 0 f0
      就退出读ID的状态,
      执行:
      md.b0
      结果:
      00000000:17.(读到的就是Nor Flash地址·0的数据)

    四、Nor Flash的两种规范

    通常内核里面要识别一个 Nor Flash 有两种方法:

    一种是 jedec 探测,就是在内核里面事先定义一个数组,该数组里面放有不同厂家各个芯片的一些参数,探测的时候将 flash 的 ID 和数组里面的 ID 一一比较,如果发现相同的,就使用该数组的参数。
    jedec 探测的优点就是简单,缺点是如果内核要支持的 flash 种类很多,这个数组就会很庞大。内核里面用 jedec 探测一个芯片时,是先通过发命令来获取 flash 的 ID,然后和数组比较,但是 flash.c 中连 ID 都是自己通过宏配置的。

    一种是 CFI(common flash interface)探测,就是直接发各种命令来读取芯片的信息,比如 ID、容量等,芯片本身就包含了电压有多大,容量有有多少等信息。
    下面对在Nor Flash上操作,2440上操作,U-BOOT上操作cfi 探测(读取芯片信息)进行比较参考芯片手册。

    Nor Flash上操作cfi 2440上操作cfi U-BOOT上操作cfi
    往55H地址写入98H 往AAH地址写入98H mw.w aa 98
    读地址10H得到0051 读地址20H得到0051 mw.w aa 98
    读地址11H得到0052 读地址22H得到0052 md.w 20 1
    读地址12H得到0059 读地址24H得到0059 md.w 22 1
    读地址27H得到容量 读地址4EH得到容量 md.w 4e 1

    五、Nor Flash写数据

    我们在Nor Flash的10000的地址读数据,
    md.w 100000 1
    结果:
    00100000:ffff..
    在Nor flash的10000的地址写数据下0x1234,
    mw.w 100000 1234
    然后在这个地址读数据,
    md.w 100000 1
    结果:
    00100000:ffff(这个地址上的数据没有被修改,写操作无效)
    怎样把数据写进Nor Flash进去呢?
    写数据之前必须保证,要写的地址是擦除的。
    下面是Nor Flash的写操作,如下表:

    Nor Flash上操作写操作 2440上操作写操作 U-BOOT上操作写操作
    往地址555H写AAH(解锁) 往地址AAAH写AAH(解锁) mw.w aaa aa
    往地址2AAH写55H(解锁) 往地址554H写55H(解锁) mw.w 554 55
    往地址555H写A0H 往地址AAAH写A0H mw.w aaa a0
    往地址PA写PD 往地址0x100000写1234h mw.w 100000 1234
    • 1.U-BOOT执行完上述指令后,0x1234,就被写到0x100000地址处,
      执行:
      md.w1000001
      结果(1234被写进去):
      00100000:1234 4
      从这里可以看出来U-BOOT的操作不是很复杂。

    • 2.我们再次往0x100000地址处,写入0x5678,执行如下命令:
      mw.w aaa aa
      mw.w 554 55
      mw.w aaa a0
      mw.w 100000 5678
      查看0x100000地址处的数据
      md.w 100000 1
      结果:
      00100000:12300.
      0x100000地址处的数据不是0x5678,写操作失败,失败的原因是,原来的数据已经是0x1234不是全0xffff,再次写操作失败,(Nor Flash只有先擦出,才能烧写)。
      先擦除(参考Nor Flash芯片手册)
      Nor Flash操作 u-boot操作
      555H AAH mw.w aaa aa
      2AAH 55H mw.w 554 55
      555H 80H mw.w aaa 80
      555H AAH mw.w aaa aa
      2AAH 55H mw.w 554 55
      SA 30H //往扇区地址写入30 mw.w 100000 30
      执行完上述指令后测试
      执行:
      md.w 100000 1
      结果:
      00100000:ffff..
      已被擦除,这个时候再次烧写就不会有问题了。
      再烧写
      mw.w aaa aa
      mw.w 554 55
      mw.w aaa a0
      mw.w 100000 5678
      测试烧写结果
      执行:
      md.w 100000 1
      结果:
      00100000:5678 xV
      数据被烧写进去,烧写成功。
      总结:我们烧写时,如果上面的数据,不是0ffff,没有被擦除过,我们就要先擦出,擦除完后,才可以烧写,擦除烧写的命令可以从芯片手册里面获得。
      发送命令函数
      nor_cmd函数代码如下,往NOR Flash某个地址发送指令,

      /* offset是基于NOR的角度看到 */
      void nor_cmd(unsigned int offset, unsigned int cmd)
      {
           nor_write_word(NOR_FLASH_BASE, offset, cmd);
      }
      

    读取函数
    nor_read_word函数是从NOR Flash 读取两个字节(本开发板位宽16bit),读取数据的地址,是基于2440,所以读取NOR Flash某个地址上的数据时,需要把NOR Flash对应的地址左移一位(地址乘以2)。

    unsigned int nor_read_word(unsigned int base, unsigned int offset)
    {
         volatile unsigned short *p = (volatile unsigned short *)(base + (offset << 1));
         return *p;
    }
    

    读取地址中的数据
    向nor_dat函数中写入NOR Flash某个地址,返回该NOR Flash地址上的数据。

    unsigned int nor_dat(unsigned int offset)
    {
        return nor_read_word(NOR_FLASH_BASE, offset);
    }
    

    进入NOR FLASH的CFI模式,读取各类信息
    do_scan_nor_flash函数代码如下,该函数的功能:进入CFI模式读取NOR Flash中的厂家ID,设备ID,容量等信息。

    void do_scan_nor_flash(void)
    {
    char str[4];
    unsigned int size;
    int regions, i;
    int region_info_base;
    int block_addr, blocks, block_size, j;
    int cnt;
    
    int vendor, device;
    
    /* 打印厂家ID、设备ID */
    nor_cmd(0x555, 0xaa);    /* 解锁 */
    nor_cmd(0x2aa, 0x55); 
    nor_cmd(0x555, 0x90);    /* read id */
    vendor = nor_dat(0);
    device = nor_dat(1);
    nor_cmd(0, 0xf0);        /* reset */
    
    nor_cmd(0x55, 0x98);  /* 进入cfi模式 */
    
    str[0] = nor_dat(0x10);
    str[1] = nor_dat(0x11);
    str[2] = nor_dat(0x12);
    str[3] = '\0';
    printf("str = %s\n\r", str);
    
    /* 打印容量 */
    size = 1<<(nor_dat(0x27));
    printf("vendor id = 0x%x, device id = 0x%x, nor size = 0x%x, %dM\n\r", vendor, device, size, size/(1024*1024));
    
    /* 打印各个扇区的起始地址 */
    /* 名词解释:
     *    erase block region : 里面含有1个或多个block, 它们的大小一样
     * 一个nor flash含有1个或多个region
     * 一个region含有1个或多个block(扇区)
    
     * Erase block region information:
     *    前2字节+1    : 表示该region有多少个block 
     *    后2字节*256  : 表示block的大小
     */
    
    regions = nor_dat(0x2c);
    region_info_base = 0x2d;
    block_addr = 0;
    printf("Block/Sector start Address:\n\r");
    cnt = 0;
    for (i = 0; i < regions; i++)
    {
        blocks = 1 + nor_dat(region_info_base) + (nor_dat(region_info_base+1)<<8);
        block_size = 256 * (nor_dat(region_info_base+2) + (nor_dat(region_info_base+3)<<8));
        region_info_base += 4;
    
    //      printf("\n\rregion %d, blocks = %d, block_size = 0x%x, block_addr = 0x%x\n\r", i, blocks, block_size, block_addr);
    
        for (j = 0; j < blocks; j++)
        {
            /* 打印每个block的起始地址 */
            //printf("0x%08x ", block_addr);
            printHex(block_addr);
            putchar(' ');
            cnt++;
            block_addr += block_size;
            if (cnt % 5 == 0)
                printf("\n\r");
        }
    }
    printf("\n\r");
    /* 退出CFI模式 */
    nor_cmd(0, 0xf0);
    }
    

    第65,66行 这两步是解锁,解锁之后就进入读ID状态,就可以读取厂家和设备ID了。
    第68行 是把读取到的厂家ID的值,复制给vendor变量。
    第69行 是把读取到的设备ID的值,复制给device变量。
    第70行 退出读ID状态: 给任意地址写F0H。
    第72行,往地址0x55地址写入数据0x98,是进入cfi模式。
    第74,75,76行是读取NOR Flash地址0x10,0x11,x012中的字符,赋值给字符串str。
    第81行,根据芯片手册可知道,读取NOR Flash地址0x27处的数据,得到的是NOR Flash容量大小2的幂数,所以把1左移读取到的数据,就可得到NOR Flash的容量。
    第95行读取NOR Flash地址0x2c地址中的数据,可以得到NOR Flash中有多少region。
    第102行根据Erase block region information:的信息可以知道读取[2E,2D]这两个字节的地址+1,可以得到一个region有多少block(参考芯片手册)。代码中的region_info_base变量的值是0x2d,0x2d是前两个字节中的低字节,0x2e是前两个字节中的高字节,所以需要左移8位,然后加上1就得到了一个region有多少block.。
    第103行参考芯片手册,读取[30,2F]这两个字节地址,然后乘上256就可以得到一个块的大小。
    第104行,地址加4,读取下一个region有多少block和每个block的大小。
    第112,115行,由于NOR Flash的基地址是0,所以第一个block的首地址是0,下一个block的首地址,就是上一个block的首地址加上block的大小。
    第112行往0地址写入0xf0,退出CFI模式。
    Nor Flash的测试
    nor_flash_test函数通过switch语句,分别处理识别NOR Flash,擦除NOR Flash某个扇区,编写某个地址,读某个地址。代码如下:

    void nor_flash_test(void)
    {
    char c;
    
    while (1)
    {
        /* 打印菜单, 供我们选择测试内容 */
        printf("[s] Scan nor flash\n\r");
        printf("[e] Erase nor flash\n\r");
        printf("[w] Write nor flash\n\r");
        printf("[r] Read nor 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nor flash
         * 2. 擦除nor 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':
                do_scan_nor_flash();
                break;
    
            case 'e':
            case 'E':
                do_erase_nor_flash();
                break;
    
            case 'w':
            case 'W':
                do_write_nor_flash();
                break;
    
            case 'r':
            case 'R':
                do_read_nor_flash();
                break;
            default:
                break;
        }
      }
    }
    

    主函数
    main函数代码如下所示。把timer中断去掉,否则: 测试NOR Flash时进入CFI等模式时, 如果发生了中断,cpu必定读NOR Flash,那么读不到正确的指令,导致程序崩溃。

    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();
    
     return 0;
    }
    

    六、Nor Flash编程_擦写读

    本实例的目的目的:擦除nor flash某个扇区,编写某个地址,读某个地址。
    等待烧写
    等待烧写完成 : 读数据, Q6无变化时表示结束 (参考芯片手册),

    void wait_ready(unsigned int addr)
    {
    unsigned int val;
    unsigned int pre;
    
    pre = nor_dat(addr>>1);
    val = nor_dat(addr>>1);
    while ((val & (1<<6)) != (pre & (1<<6)))
    {
        pre = val;
        val = nor_dat(addr>>1);     
    }
    }
    

    擦除NOR Flash 某个扇区
    do_erase_nor_flash函数的代码如下。参考芯片手册,就可以知道擦除某个扇区,还是相对比较简单的。

    void do_erase_nor_flash(void)
    {
    unsigned int addr;
    
    /* 获得地址 */
    printf("Enter the address of sector to erase: ");
    addr = get_uint();
    
    printf("erasing ...\n\r");
    nor_cmd(0x555, 0xaa);    /* 解锁 */
    nor_cmd(0x2aa, 0x55); 
    nor_cmd(0x555, 0x80);    /* erase sector */
    
    nor_cmd(0x555, 0xaa);    /* 解锁 */
    nor_cmd(0x2aa, 0x55); 
    nor_cmd(addr>>1, 0x30);  /* 发出扇区地址 */
    wait_ready(addr);
    }
    

    写NOR Flash
    do_write_nor_flash的代码如下所示,开发板上的NOR Flash的位宽是16bit,所以可以把要写的数据构造出16bit然后在写进NOR Flash中。

    void do_write_nor_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");
    
    /* str[0],str[1]==>16bit 
     * str[2],str[3]==>16bit 
     */
    i = 0;
    j = 1;
    while (str[i] && str[j])
    {
        val = str[i] + (str[j]<<8);
        
        /* 烧写 */
        nor_cmd(0x555, 0xaa);    /* 解锁 */
        nor_cmd(0x2aa, 0x55); 
        nor_cmd(0x555, 0xa0);    /* program */
        nor_cmd(addr>>1, val);
        /* 等待烧写完成 : 读数据, Q6无变化时表示结束 */
        wait_ready(addr);
    
        i += 2;
        j += 2;
        addr += 2;
    }
    
    val = str[i];
    /* 烧写 */
    nor_cmd(0x555, 0xaa);    /* 解锁 */
    nor_cmd(0x2aa, 0x55); 
    nor_cmd(0x555, 0xa0);    /* program */
    nor_cmd(addr>>1, val);
    /* 等待烧写完成 : 读数据, Q6无变化时表示结束 */
    wait_ready(addr);
    }
    

    通过get_uint获得的地址赋值给addr变量,
    通过gets函数获得输入的字符串。
    两个8位的数据,组合成一个16位的数据赋值给变量val.
    读NOR Flash
    do_read_nor_flash函数代码如下,由于NOR Flash是内存类接口,可以像内存一样读取。

    void do_read_nor_flash(void)
    {
    unsigned int addr;
    volatile unsigned char *p;
    int i, j;
    unsigned char c;
    unsigned char str[16];
    
    /* 获得地址 */
    printf("Enter the address to read: ");
    addr = get_uint();
    
    p = (volatile unsigned char *)addr;
    
    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");
      }
    }
    

    get_uint函数,从串口中获得输入的地址。
    强制类型转化。
    对NOR Flash内容的读取,输出的内容为16进制的数据,由于NOR Flash是内存类接口,可以像内存一样读取。
    输出NOR Flash的内容为字符型数据,其中的第223行用来判断,输出的字符是否为不可视字符,要是为不可视字符输出点'.',要是可视字符输出字符。

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        本文标题:NOR Flash操作原理及裸机程序分析

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