ANR问题解析（二）：程序等待原理分析

作者: bug音音 | 来源:发表于2021-01-26 20:12 被阅读0次

一、NAND_FLASH操作原理

img

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

img

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，

img

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

img

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

img

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。

img

NAND FLASH时序图，如下所示：

img

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。

img

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。

img

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）

img

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

img

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。

img

图的表格，来说明NAND FLASH内部结构，前面2K(02047)表示页数据，后边64字节(20482111)表示oob。

img

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：

img

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：

img

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：

img

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：

img

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;
    }
}
}

ANR问题解析（二）：程序等待原理分析

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

相关文章

网友评论

延伸阅读

深度阅读

栏目导航

热点阅读