TQ2440之Nand flash
NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。大多数情况下NOR闪存只是用来存储少量的代码，而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。
NOR的特点是程序可以在NOR上执行，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。
NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。
二者比较各有优缺点：
● NOR的读速度比NAND稍快一些。
● NAND的写入速度比NOR快很多。
● NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。
● 大多数写入操作需要先进行擦除操作。
● NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少
NAND flash 在嵌入式系统中的地位与PC机上的硬盘是类似的。用于保存系统运行所必需的操作系统，应用程序，用户数据，运行过程中产生的各类数据，系统掉电后数据不会护丢失.本文主要介绍关于NAND Flash的组织结构和编写程序的方法。
NAND flash在对大容量的数据存储中发挥着重要的作用。但它的一个劣势是很容易产生坏块，因此在使用nandflash时，往往要利用校验算法发现坏块并标注出来，以便以后不再使用该坏块。nandflash没有地址或数据总线，如果是8位nandflash，那么它只有8个IO口，这8个IO口用于传输命令、地址和数据。nandflash主要以page（页）为单位进行读写，以block（块）为单位进行擦除。每一页中又分为main区和spare区，main区用于正常数据的存储，spare区用于存储一些附加信息，如块好坏的标记、块的逻辑地址、页内数据的ECC校验和等。
TQ2440开发板上的的NAND flash芯片为K9F4G08U0B。该芯片为512M x 8 Bits NAND Flash存储器。
S3C2440内部集成了一个Nand flash控制器。S3C2440的Nand flash控制器包含了如下的特性：
1. 一个引导启动单元
2.Nand Flash存储器接口，支持8位或16位的每页大小为256字，512字节，1K字和2K字节的Nand flash
3. 软件模式：用户可以直接访问Nand Flash存储器，此特性可以用于Nand Flash 存储器的读、擦除和编程。
4. S3C2440支持8/16位的Nand Flash存储器接口总线
5.硬件ECC生成，检测和指示(软件纠错)。
6. Steppingstone接口，支持大/小端模式的按字节/半字/字访问。
Nand Flash的电路连接如图下图所示：
Nand Flash是接在Nand Flash控制器上而不是系统总线上，所以没有在8个bank区分配地址。
配置引脚NCON，GPG13，GPG14和GPG15用来设置Nand Flash的基本信息，Nand控制器通过读取配置引脚的状态获取外接的Nand Flash的配置信息，这四个配置引脚的定义如下图所示：
由于KK9F4G08U0B的总线宽度为8位，页大小为2048字节，需要5个寻址命令，所以NCON、GPG13和GPG14应该接高电平，GPG15应该接低电平。
K9F4G08U0B没有地址或数据总线，只有8个IO口，这8个IO口用于传输命令、地址和数据。K9F2G08U0A主要以page（页）为单位进行读写，以block（块）为单位进行擦除。每一页中又分为main区和spare区，main区用于正常数据的存储，spare区用于存储一些附加信息，如块好坏的标记、块的逻辑地址、页内数据的ECC校验和等。
K9F4G08U0B的存储阵列组织如下图所示：
K9F4G08U0B的地址序列如下图所示：
要实现用8个IO口来要访问这么大的容量，K9F4G08U0B规定了用5个周期来实现。第一个周期访问的地址为A0~A7；第二个周期访问的地址为A8~A11，它作用在IO0~IO3上，而此时IO4~IO7必须为低电平；第三个周期访问的地址为A12~A19；第四个周期访问的地址为A20~A27；第五个周期访问的地址为A28，它作用在IO0上，而此时IO1~IO7必须为低电平。前两个周期传输的是列地址，后三个周期传输的是行地址。通过分析可知，列地址是用于寻址页内空间，行地址用于寻址页，如果要直接访问块，则需要从地址A18开始。由于所有的命令、地址和数据全部从8位IO口传输，所以Nand flash定义了一个命令集来完成各种操作。有的操作只需要一个命令（即一个周期）即可，而有的操作则需要两个命令（即两个周期）来实现。
K9F4G08U0B的命令说明：
Nand Flash控制器的寄存器主要有:
NFCONF(Nand Flash配置寄存器)----2440的NFCONF寄存器是用来设置NAND Flash的时序参数TACLS、TWRPH0、TWRPH1。配置寄存器的[3:0]是只读位，用来指示外部所接的Nand Flash的配置信息，它们是由配置引脚NCON，GPG13，GPG14和GPG15所决定的(比如说K9F4G08U0B的配置为NCON、GPG13和GPG14接高电平，GPG15接低电平，所以[3:0]位状态应该是1110)。
NFCONT(Nand Flash控制寄存器)----用来使能/禁止NAND Flash控制器、使能/禁止控制引脚信号nFCE、初始化ECC。它还有其他功能，在一般的应用中用不到，比如锁定NAND Flash。
NFCMMD(Nand Flash命令集寄存器)----对于不同型号的Flash，操作命令一般不一样。参考前面介绍的K9F4G08U0B命令序列。
NFADDR(Nand Flash地址集寄存器)----当写这个寄存器时，它将对Flash发出地址信号。只用到低8位来传输，所以需要分多次来写入一个完整的32位地址，K9F4G08U0B的地址序列在文中已经做了详细说明。
NFDATA(Nand Flash数据寄存器)----只用到低8位，读、写此寄存器将启动对NAND Flash的读数据、写数据操作。
NFMECCD0/1(Nand Flash的main区ECC寄存器)
NFSECCD(Nand Flash的spare区ECC寄存器)
NFSTAT(Nand Flash操作状态寄存器)----只用到位0，用来检测NAND是否准备好。0：busy，1：ready。
NFESTAT0/1(Nand Flash的ECC状态寄存器)
NFMECC0/1(Nand Flash用于数据的ECC状态寄存器)
NFSECC(Nand Flash用于spare的ECC状态寄存器)
NFCONF寄存器使用TACLS、TWRPH0、TWRPH1这3个参数来控制NAND Flash信号线CLE/ALE与写控制信号nWE的时序关系，它们之间的关系如下图所示：
TACLS为CLE/ALE有效到nWE有效之间的持续时间，TWRPH0为nWE的有效持续时间，TWRPH1为nWE无效到CLE/ALE无效之间的持续时间，这些时间都是以HCLK为单位的。通过查阅K9F4G08U0B的数据手册，我们可以找到并计算与S3C2440相对应的时序：K9F4G08U0B中的Twp与TWRPH0相对应，Tclh与TWRPH1相对应， TACLS应该是与Tcls相对应。K9F4G08U0B给出的都是最小时间， 2440只要满足它的最小时间即可。TACLS、TWRPH0、TWRPH1这三个变量取值大一些会更保险，在这里，这三个值分别取1，2和0。
下面就开始详细介绍K9F4G08U0B的基本操作，包括复位，读ID，页读、写数据，随意读、写数据，块擦除等。
为了方便，我们宏定义了K9F4G08U0B的常用命令：
#define CMD_READ1 0x00 //页读命令周期1 #define CMD_READ2 0x30 //页读命令周期2 #define CMD_READID 0x90 //读ID命令 #define CMD_WRITE1 0x80 //页写命令周期1 #define CMD_WRITE2 0x10 //页写命令周期2 #define CMD_ERASE1 0x60 //块擦除命令周期1 #define CMD_ERASE2 0xd0 //块擦除命令周期2 #define CMD_STATUS 0x70 //读状态命令 #define CMD_RESET 0xff //复位 #define CMD_RANDOMREAD1 0x05 //随意读命令周期1 #define CMD_RANDOMREAD2 0xE0 //随意读命令周期2 #define CMD_RANDOMWRITE 0x85 //随意写命令 #define NF_nFCE_L() {rNFCONT &= ~(1<<1); } #define NF_CE_L() NF_nFCE_L() //打开nandflash片选 #define NF_nFCE_H() {rNFCONT |= (1<<1); } #define NF_CE_H() NF_nFCE_H() //关闭nandflash片选 #define NF_RSTECC() {rNFCONT |= (1<<4); } //复位ECC #define NF_MECC_UnLock() {rNFCONT &= ~(1<<5); } //解锁main区ECC #define NF_MECC_Lock() {rNFCONT |= (1<<5); } //锁定main区ECC #define NF_SECC_UnLock() {rNFCONT &= ~(1<<6); } //解锁spare区ECC #define NF_SECC_Lock() {rNFCONT |= (1<<6); } //锁定spare区ECC #define NF_WAITRB() {while(!(rNFSTAT & (1<<0) ) ); } //等待Nand Flash不忙 #define NF_CLEAR_RB() {rNFSTAT |= (1<<2); } //清除RnB信号 #define NF_DETECT_RB() {while(!(rNFSTAT&(1<<2)));} //等待RnB信号变高，即不忙 #define NF_CMD(data) {rNFCMD = (data); } //传输命令 #define NF_ADDR(addr) {rNFADDR = (addr); } //传输地址 #define NF_RDDATA() （rNFDATA) //读32位数据 #define NF_RDDATA8() (rNFDATA8) //读8位数据 #define NF_WRDATA(data) {rNFDATA = (data); } //写32位数据 #define NF_WRDATA8(data) {rNFDATA8 = (data); } //写8位数据
芯片初始化：
void rNF_Init(void) { rNFCONF = (TACLS<<12)|(TWRPH0<<8)|( TWRPH1<<4)|(0<<0); //初始化时序参数 rNFCONT = (0<<13)|(0<<12)|(0<<10)|(0<<9)|(0<<8)|(1<<6)|(1<<5)|(1<<4)|(1<<1)|(1<<0); //非锁定，屏蔽nandflash中断，初始化ECC及锁定main区和spare区ECC，
使能nandflash控制器，禁止片选 rNF_Reset(); //复位芯片 }
芯片复位：
static void rNF_Reset() { NF_CE_L(); //打开nandflash片选 NF_CLEAR_RB(); //清除RnB信号 NF_CMD(CMD_RESET); //写入复位命令 NF_DETECT_RB(); //等待RnB信号变高，即不忙 NF_CE_H(); //关闭nandflash片选 }
读芯片ID：
static char rNF_ReadID() { char pMID; char pDID; char cyc3, cyc4, cyc5; NF_nFCE_L(); //打开nandflash片选 NF_CLEAR_RB(); //清RnB信号 NF_CMD(CMD_READID); //读ID命令 NF_ADDR(0x0); //写0x00地址 for ( i = 0; i < 100; i++ );等一段时间 //读五个周期的ID pMID = NF_RDDATA8(); //厂商ID：0xEC pDID = NF_RDDATA8(); //设备ID：0xDA cyc3 = NF_RDDATA8(); //0x10 cyc4 = NF_RDDATA8(); //0x95 cyc5 = NF_RDDATA8(); //0x44 NF_nFCE_H(); //关闭nandflash片选 return (pDID); }
下面介绍Nand Flash读操作，读操作是以页为单位进行的。如果在读取数据的过程中不进行ECC校验判断，则读操作比较简单，在写入读命令的两个周期之间写入要读取的页地址，然后读取数据即可。如果为了更准确地读取数据，则在读取完数据之后还要进行ECC校验判断，以确定所读取的数据是否正确。
在上文中已经介绍过，Nand Flash的每一页有两区：main区和spare区，main区用于存储正常的数据，spare区用于存储其他附加信息，其中就包括ECC校验码。当我们在写入数据的时候，我们就计算这一页数据的ECC校验码，然后把校验码存储到spare区的特定位置中，在下次读取这一页数据的时候，同样我们也计算ECC校验码，然后与spare区中的ECC校验码比较，如果一致则说明读取的数据正确，如果不一致则不正确。
ECC的算法较为复杂，好在S3C2440能够硬件产生ECC校验码，这样就省去了不少的麻烦事。S3C2440既可以产生main区的ECC校验码，也可以产生spare区的ECC校验码。因为K9F4G08U0B是8位IO口，因此S3C2440共产生4个字节的main区ECC码和2个字节的spare区ECC码。在这里我们规定，在每一页的spare区的第0个地址到第3个地址存储main区ECC，第4个地址和第5个地址存储spare区ECC。
产生ECC校验码的过程为：在读取或写入哪个区的数据之前，先解锁该区的ECC，以便产生该区的ECC。在读取或写入完数据之后，再锁定该区的ECC，这样系统就会把产生的ECC码保存到相应的寄存器中。main区的ECC保存到NFMECC0/1中（因为K9F4G08U0B是8位IO口，因此这里只用到了NFMECC0），spare区的ECC保存到NFSECC中。对于读操作来说，我们还要继续读取spare区的相应地址内容，以得到上次写操作时所存储的main区和spare区的ECC，并把这些数据分别放入NFMECCD0/1和NFSECCD的相应位置中。最后我们就可以通过读取NFESTAT0/1（因为K9F4G08U0B是8位IO口，因此这里只用到了NFESTAT0）中的低4位来判断读取的数据是否正确，其中第0位和第1位为main区指示错误，第2位和第3位为spare区指示错误。
页读操作：
U8 rNF_ReadPage( U32 page_number ) { U32 i, mecc0, secc; NF_RSTECC(); //复位ECC NF_MECC_UnLock(); //解锁main区ECC NF_nFCE_L(); //使能芯片 NF_CLEAR_RB(); //清除RnB NF_CMD(CMD_READ1); //页读命令周期1，0x00 //写入5个地址周期 NF_ADDR(0x00); //列地址A0-A7 NF_ADDR(0x00); //列地址A8-A11 NF_ADDR((page_number) & 0xff); //行地址A12-A19 NF_ADDR((page_number >> 8) & 0xff); //行地址A20-A27 NF_ADDR((page_number >> 16) & 0xff); //行地址A28 NF_CMD(CMD_READ2); //页读命令周期2，0x30 NF_DETECT_RB(); //等待RnB信号变高，即不忙 for (i = 0; i < 2048; i++) { buf[i] = NF_RDDATA8(); //读取一页数据内容 } NF_MECC_Lock(); //锁定main区ECC值 NF_SECC_UnLock(); //解锁spare区ECC //读spare区的前4个地址内容，即第2048~2051地址，这4个字节为main区的ECC mecc0=NF_RDDATA(); //把读取到的main区的ECC校验码放入NFMECCD0/1的相应位置内 rNFMECCD0=((mecc0&0xff00)<<8))|(mecc0&0xff); rNFMECCD1=((mecc0 & 0xff00 0000)>>8)|((mecc0 & 0xff0 000)>>16); NF_SECC_Lock(); //锁定spare区的ECC值 //继续读spare区的4个地址内容，即第2052~2055地址，其中前2个字节为spare区的ECC值 secc=NF_RDDATA(); //把读取到的spare区的ECC校验码放入NFSECCD的相应位置内 rNFSECCD=((secc&0xff00)<<8)|(secc&0xff); NF_nFCE_H(); //关闭nandflash片选 //判断所读取到的数据是否正确 if ((rNFESTAT0&0xf) == 0x0) return 0x66; //正确 else return 0x44; //错误 }
页写操作：
在两个写命令周期之间分别写入页地址和数据，当然如果为了保证下次读取该数据时的正确性，还需要把main区的ECC值和spare区的ECC值写入到该页的spare区内。然后我们还需要读取状态寄存器，以判断这次写操作是否正确。
U8 rNF_WritePage(U32 page_number) { U32 i, mecc0, secc; U8 stat, temp; temp = rNF_IsBadBlock(page_number>>6); //判断该块是否为坏块 if(temp == 0x33) return 0x42; //是坏块，返回 NF_RSTECC(); //复位ECC-->使能ECC NF_MECC_UnLock(); //解锁main区的ECC NF_nFCE_L(); //打开nandflash片选 NF_CLEAR_RB(); //清RnB信号 NF_CMD(CMD_WRITE1); //页写命令周期1 //写入5个地址周期 NF_ADDR(0x00); //列地址A0~A7 NF_ADDR(0x00); //列地址A8~A11 NF_ADDR((page_number) & 0xff); //行地址A12~A19 NF_ADDR((page_number >> 8) & 0xff); //行地址A20~A27 NF_ADDR((page_number >> 16) & 0xff); //行地址A28 for (i = 0; i < 2048; i++)//写入一页数据 { NF_WRDATA8((char)(i+6)); } NF_MECC_Lock(); //锁定main区的ECC值 mecc0=rNFMECC0; //读取main区的ECC校验码 //把ECC校验码由字型转换为字节型，并保存到全局变量数组ECCBuf中 ECCBuf[0]=(U8)(mecc0&0xff); ECCBuf[1]=(U8)((mecc0>>8) & 0xff); ECCBuf[2]=(U8)((mecc0>>16) & 0xff); ECCBuf[3]=(U8)((mecc0>>24) & 0xff); NF_SECC_UnLock(); //解锁spare区的ECC //把main区的ECC值写入到spare区的前4个字节地址内，即第2048~2051地址 for(i=0;i<4;i++) { NF_WRDATA8(ECCBuf[i]); } NF_SECC_Lock(); //锁定spare区的ECC值 secc=rNFSECC; //读取spare区的ECC校验码 //把ECC校验码保存到全局变量数组ECCBuf中 ECCBuf[4]=(U8)(secc&0xff); ECCBuf[5]=(U8)((secc>>8) & 0xff); //把spare区的ECC值继续写入到spare区的第2052~2053地址内 for(i=4;i<6;i++) { NF_WRDATA8(ECCBuf[i]); } NF_CMD(CMD_WRITE2); //页写命令周期2 delay(1000); //延时一段时间，以等待写操作完成 NF_CMD(CMD_STATUS); //读状态命令 //判断状态值的第6位是否为1，即是否在忙，该语句的作用与NF_DETECT_RB();相同 do{ stat = NF_RDDATA8(); }while(!(stat&0x40)); NF_nFCE_H(); //关闭Nand Flash片选 //判断状态值的第0位是否为0，为0则写操作正确，否则错误 if (stat & 0x1) { temp = rNF_MarkBadBlock(page_number>>6);//标注该页所在的块为坏块 if (temp == 0x21) return 0x43 //表示写操作失败，并且在标注该页所在的块为坏块时也失败 else return 0x44; //写操作失败 } else return 0x66; //写操作成功 }
擦除操作：
擦除是以块为单位进行的，因此在写地址周期时，只需写三个行周期，并且要从A18开始写起。与写操作一样，在擦除结束前还要判断是否擦除操作成功，另外同样也存在需要判断是否为坏块以及要标注坏块的问题。
U8 rNF_EraseBlock(U32 block_number) { char stat, temp; temp = rNF_IsBadBlock(block_number); //判断该块是否为坏块 if(temp == 0x33) return 0x42; //是坏块，返回 NF_nFCE_L(); //打开片选 NF_CLEAR_RB(); //清RnB信号 NF_CMD(CMD_ERASE1); //擦除命令周期1 //写入3个地址周期，从A18开始写起 NF_ADDR((block_number << 6) & 0xff); //行地址A18~A19 NF_ADDR((block_number >> 2) & 0xff); //行地址A20~A27 NF_ADDR((block_number >> 10) & 0xff); //行地址A28 NF_CMD(CMD_ERASE2); //擦除命令周期2 delay(1000); //延时一段时间 NF_CMD(CMD_STATUS); //读状态命令 //判断状态值的第6位是否为1，即是否在忙，该语句的作用与NF_DETECT_RB();相同 do{ stat = NF_RDDATA8(); }while(!(stat&0x40)); NF_nFCE_H(); //关闭Nand Flash片选 //判断状态值的第0位是否为0，为0则擦除操作正确，否则错误 if (stat & 0x1) { temp = rNF_MarkBadBlock(page_number>>6); //标注该块为坏块 if (temp == 0x21) return 0x43 //标注坏块失败 else return 0x44; //擦除操作失败 } else return 0x66; //擦除操作成 ? }
K9F4G08U0B除了提供了页读和页写功能外，还提供了页地址随意读、写功能。页读和页写是从页的首地址开始读、写，而随意读、写实现了在一页范围内任意地址的读、写。随意读操作是在页读操作后输入随意读命令和页内列地址，这样就可以读取到列地址所指定地址的数据。随意写操作是在页写操作的第二个页写命令周期前，输入随意写命令和页内列地址，以及要写入的数据，这样就可以把数据写入到列地址所指定的地址内。下面两段程序实现了随意读和随意写功能，其中随意读程序的输入参数分别为页地址和页内地址，输出参数为所读取到的数据，随意写程序的输入参数分别为页地址，页内地址，以及要写入的数据。
随意读：
U8 rNF_RamdomRead(U32 page_number, U32 add) { NF_nFCE_L(); //打开Nand Flash片选 NF_CLEAR_RB(); //清RnB信号 NF_CMD(CMD_READ1); //页读命令周期1 //写入5个地址周期 NF_ADDR(0x00); //列地址A0~A7 NF_ADDR(0x00); //列地址A8~A11 NF_ADDR((page_number) & 0xff); //行地址A12~A19 NF_ADDR((page_number >> 8) & 0xff); //行地址A20~A27 NF_ADDR((page_number >> 16) & 0xff); //行地址A28 NF_CMD(CMD_READ2); //页读命令周期2 NF_DETECT_RB(); //等待RnB信号变高，即不忙 NF_CMD(CMD_RANDOMREAD1); //随意读命令周期1 //页内地址 NF_ADDR((char)(add&0xff)); //列地址A0~A7 NF_ADDR((char)((add>>8)&0x0f)); //列地址A8~A11 NF_CMD(CMD_RANDOMREAD2); //随意读命令周期2 return NF_RDDATA8(); //读取数据 }
随意写：
U8 rNF_RamdomWrite(U32 page_number, U32 add, U8 dat) { U8 temp,stat; NF_nFCE_L(); //打开Nand Flash片选 NF_CLEAR_RB(); //清RnB信号 NF_CMD(CMD_WRITE1); //页写命令周期1 //写入5个地址周期 NF_ADDR(0x00); //列地址A0~A7 NF_ADDR(0x00); //列地址A8~A11 NF_ADDR((page_number) & 0xff); //行地址A12~A19 NF_ADDR((page_number >> 8) & 0xff); //行地址A20~A27 NF_ADDR((page_number >> 16) & 0xff); //行地址A28 NF_CMD(CMD_RANDOMWRITE); //随意写命令 //页内地址 NF_ADDR((char)(add&0xff)); //列地址A0~A7 NF_ADDR((char)((add>>8)&0x0f)); //列地址A8~A11 NF_WRDATA8(dat); //写入数据 NF_CMD(CMD_WRITE2); //页写命令周期2 delay(1000); //延时一段时间 NF_CMD(CMD_STATUS); //读状态命令 //判断状态值的第6位是否为1，即是否在忙，该语句的作用与NF_DETECT_RB();相同 do{ stat = NF_RDDATA8(); } while(!(stat&0x40)); NF_nFCE_H(); //关闭Nand Flash片选 //判断状态值的第0位是否为0，为0则写操作正确，否则错误 if (stat & 0x1) return 0x44; //失败 else return 0x66; //成 ? }
下面介绍上文中提到的判断坏块以及标注坏块的那两个程序：rNF_IsBadBlock和rNF_MarkBadBlock。在这里，我们定义在spare区的第6个地址（即每页的第2054地址）用来标注坏块，0x44表示该块为坏块。要判断坏块时，利用随意读命令来读取2054地址的内容是否为0x44，要标注坏块时，利用随意写命令来向2054地址写0x33。下面就给出这两个程序，它们的输入参数都为块地址，也就是即使仅仅一页出现问题，我们也标注整个块为坏块。
判断坏块程序：
U8 rNF_IsBadBlock(U32 block) { return rNF_RamdomRead(block*64, 2054); }
标记坏块程序：
U8 rNF_MarkBadBlock(U32 block) { U8 result; result = rNF_RamdomWrite(block*64, 2054, 0x33); if(result == 0x44) return 0x21; //写坏块标注失败 else return 0x60; //写坏块标注成功 }
