s3c2410/s3c2440 nand flash工作原理

NAND Flash的寻址方式和NAND Flash的memory组织方式紧密相关。NAND Flash的数据是以bit的方式保存在memory cell，一般来说，一个cell中只能存储一个bit。这些cell以8个或者16个为单位，连成bit line，形成所谓的byte(x8)/word(x16)，这就是NAND Device的位宽。这些Line会再组成Page，通常是528Byte/page或者264Word/page。然后，每32个page形成一个Block，Sizeof(block)=16kByte Block是NAND Flash中最大的操作单元，擦除就是按照block为单位完成的，而编程/读取是按照page为单位完成的。所以，按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址：

-Block Address

-Page Address

-Column Address

首先，必须清楚一点，对于NAND Flash来讲，地址和命令只能在I/O[7:0]上传递，数据宽度可以是8位或者16位，但是，对于x16的NAND Device，I/O[15:8]只用于传递数据（此点不是很认同）。清楚了这一点，我们就可以开始分析NAND Flash的寻址方式了。

以528Byte/page 总容量512Mbit+512kbyte的NAND器件为例：因为1 block="16kbyte"，512Mbit="64Mbyte"，Numberof(block)=1024 1block="32page", 1page="528byte"=512byte(Main Area)+16byte(Spare Area) 用户数据保存在main area中。512byte需要9bit来表示，对于528byte系列的NAND，这512byte被分成1st half和2nd half, 各自的访问由所谓的pointer operation命令来选择，也就是选择了bit8的高低。因此A8就是halfpage pointer（这是我给出的一个名字），A[7:0]就是所谓的column address。32个page需要5bit来表示，占用A[13:9]，即该page在块内的相对地址Block的地址是由A14以上的bit来表示，例如512Mb的NAND，共4096block，因此，需要12个bit 来表示，即A[25:14]，如果是1Gbit的528byte/page的NAND Flash，则block address用A[26:14]表示。而page address就是blcok address|page address in block。

NAND Flash的地址表示为：

Block Address|Page Address in block|halfpage pointer|Column Address

地址传送顺序是Column Address, Page Address, Block Address。由于地址只能在I/O[7:0]上传递，因此，必须采用移位的方式进行。例如，对于512Mbit x8的NAND flash，地址范围是0~0x3FF_FFFF，只要是这个范围内的数值表示的地址都是有效的。

以NAND_ADDR为例：

第1步是传递column address，就是NAND_ADDR[7:0]，不需移位即可传递到I/O[7:0]上而halfpage pointer即bit8是由操作指令决定的，即指令决定在哪个halfpage上进行读写，

而真正的bit8的值是don't care的。

第2步就是将NAND_ADDR右移9位，将NAND_ADDR[16:9]传到I/O[7:0]上。

第3步将NAND_ADDR[24:17]放到I/O上。

第4步需要将NAND_ADDR[25]放到I/O上。

因此，整个地址传递过程需要4步才能完成，即4-step addressing。

如果NAND Flash的容量是256Mbit以下，那么，block adress最高位只到bit24，因此寻址只需要3步。

下面，就x16的NAND flash器件稍微进行一下说明。

        由于一个page的main area的容量为256word，仍相当于512byte。但是，这个时候没有所谓的1st halfpage和2nd halfpage之分了，所以，bit8就变得没有意义了，也就是这个时候bit8完全不用管，地址传递仍然和x8器件相同。除了这一点之外，x16的NAND使用方式和x8的使用方式完全相同。

1.1 Nand flash 芯片工作原理

Nand flash芯片型号为Samsung K9F1208U0B，数据存储容量为64MB，采用块页式存储管理。8个I/O引脚充当数据、地址、命令的复用端口。

1.1.1 芯片内部存储布局及存储操作特点

一片Nand flash为一个设备(device), 其数据存储分层为：

1设备(Device) = 4096 块(Blocks)

1块(Block) = 32页/行(Pages/rows) ;页与行是相同的意思,叫法不一样

1页(Page) = 528字节(Bytes) = 数据块大小(512Bytes分为前半页和和后半页) + OOB块大小(16Bytes)

在每一页中，最后16个字节（又称OOB）用于Nand Flash命令执行完后设置状态用，剩余512个字节又分为前半部分和后半部分。可以通过Nand Flash命令00h/01h/50h分别对前半部、后半部、OOB进行定位通过Nand Flash内置的指针指向各自的首地址。

存储操作特点：

1. 擦除操作的最小单位是块。

2. Nand Flash芯片每一位(bit)只能从1变为0，而不能从0变为1，所以在对其进行写入操作之前要一定将相应块擦除(擦除即是将相应块得位全部变为1).

3. OOB部分的第六字节(即517字节)标志是否是坏块，如果不是坏块该值为FF，否则为坏块。

4. 除OOB第六字节外，通常至少把OOB的前3个字节存放Nand Flash硬件ECC码(关于硬件ECC码请参看Nandflash 控制器一节).

1.1.2 重要芯片引脚功能

I/O0I/O7：复用引脚。可以通过它向nand flash芯片输入数据、地址、nand flash命令以及输出数据和操作状态信息。

CLE(Command Latch Enable): 命令锁存允许

ALE(Address Lactch Enable): 地址锁存允许

CE:芯片选择

RE:读允许

WE:写允许

WP:在写或擦除期间，提供写保护

R/B:读/忙输出

1.1.3 寻址方式

Samsung K9F1208U0B Nand Flash 片内寻址采用26位地址形式。从第0位开始分四次通过I/O0－I/O7进行

传送，并进行片内寻址。具体含义如下：

0－7位：字节在上半部、下半部及OOB内的偏移地址

8位：值为0代表对一页内前256个字节进行寻址

值为1代表对一页内后256个字节进行寻址

9－13位：对页进行寻址

14－25位：对块进行寻址

当传送地址时,从位0开始

1.1.4 Nand flash 主要内设命令详细介绍

Nand Flash命令执行是通过将命令字送到Nand Flash控制器的命令寄存器来执行。

Nand Flash的命令是分周期执行的，每条命令都有一个或多个执行周期，每个执行周期都有相映代码表示该周期将要执行的动作。

主要命令有：Read 1、Read 2、Read ID、Reset、Page Program、Block Erase、Read Status。

详细介绍如下：

1. Read 1：

功能：表示将要读取Nand flash存储空间中一个页的前半部分，并且将内置指针定位到前半部分的第一个字节。

命令代码：00h

2. Read 2：

功能：表示将要读取Nand flash存储空间中一个页的后半部分，并且将内置指针定位到后半部分的第一个字节。

命令代码：01h

3. Read ID：

功能：读取Nand flash芯片的ID号

命令代码：90h

4. Reset：

功能：重启芯片。

命令代码：FFh

5. Page Program：

功能：对页进行编程命令, 用于写操作。

命令代码：首先写入00h(A区)/01h(B区)/05h(C区), 表示写入那个区; 再写入80h开始编程模式(写入模式)，接

下来写入地址和数据; 最后写入10h表示编程结束.

6. Block Erase

功能：块擦除命令。

命令代码：首先写入60h进入擦写模式，然后输入块地址; 接下来写入D0h, 表示擦写结束.

7. Read Status

功能：读取内部状态寄存器值命令。

命令代码：70h

2 Nand Flash 控制器工作原理

对Nand Flash存储芯片进行操作, 必须通过Nand Flash控制器的专用寄存器才能完成。所以，不能对NandFlash进行总线操作。而Nand Flash的写操作也必须块方式进行。对Nand Flash的读操作可以按字节读取。

2.1 Nand Flash 控制器特性

1. 支持对Nand Flash芯片的读、检验、编程控制

2. 如果支持从Nand Flash启动, 在每次重启后自动将前Nand Flash的前4KB数据搬运到ARM的内部RAM中

3. 支持ECC校验

2.2 Nand Flash 控制器工作原理

Nand Flash控制器在其专用寄存器区(SFR)地址空间中映射有属于自己的特殊功能寄存器，就是通过将NandFlash芯片的内设命令写到其特殊功能寄存器中，从而实现对Nand flash芯片读、检验和编程控制的。特殊功能寄存器有：NFCONF、NFCMD、NFADDR、NFDATA、NFSTAT、NFECC。寄存详细说明见下一节。

1. 配置寄存器(NFCONF)：用于对Nand Flash控制器的配置状态进行控制。

2. 命令寄存器(NFCMD)：用于存放Nand flash芯片内设的操作命令。

3. 地址寄存器(NFADDR)：用于存放用于对Nand flash芯片存储单元寻址的地址值。

4. 数据寄存器(NFDATA)：Nand flash芯片所有内设命令执行后都会将其值放到该寄存器中。同时，读出、写入Nand flash存储空间的值也是放到该寄存器。

5. 状态寄存器(NFSTAT)：用于检测Nand flash芯片上次对其存储空间的操作是否完成。

6. ECC校验寄存器(NFECC)：ECC校验寄存器。

3：实验代码：

3.1：NandFlash的初始化

void init_nand()

{    

//时间参数设为:TACLS=0 TWRPH0=3 TWRPH1=0

    NFCONF = 0x300;

    /* 使能NAND Flash控制器, 初始化ECC, 禁止片选 */

    NFCONT = (1<<4)|(1<<1)|(1<<0);

    

    /* 复位NAND Flash */

    NFCONT &= ~(1<<1);  //发出片选信号

    NFCMMD = 0xFF;      //复位命令

    wait_idle();//循环查询NFSTAT位0，直到它等于1

    NFCONT |= 0x2;      //取消片选信号

}

3.2：NandFlash的读操作

汇编代码：

ldr r0,  =0x30000000 @1. 目标地址=0x30000000，这是SDRAM的起始地址

mov     r1,  #4096 @2.  源地址   = 4096，连接的时候，main.c中的代码都存在NAND Flash地址4096开始处

mov r2,  #1024 @3.  复制长度= 1024(bytes)，对于本实验的main.c，已经足够

bl nand_read_ll @调用C函数nand_read_ll

C部分：

/*buf：为目的地址；start_addr：为起始地址；size为复制的长度*/

void nand_read_ll(unsigned char *buf, unsigned long start_addr, int size)

{

    int i, j;

    if ((start_addr & NAND_BLOCK_MASK) || (size & NAND_BLOCK_MASK)) {

        return ;    /* 地址或长度不对齐 */

    }

    NFCONT &= ~(1<<1);  //发出片选信号

    for(i=start_addr; i < (start_addr + size);){

        NFCMMD = 0; //发出READ0命令

        s3c2440_write_addr(i);  //Write Address

        wait_idle();    //循环查询NFSTAT位0，直到它等于1

        for(j=0; j < NAND_SECTOR_SIZE; j++, i++){

            *buf = (unsigned char)NFDATA;

            buf++;

        }

    }

    NFCONT |= 0x2;      //取消片选号

    return ;

}