第016课 Nand Flash

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第001节_NAND_FLASH操作原理

Chapter16 lesson1 001.png

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 Chapter16 lesson1 002.png 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:

1. 当ALE为高电平时传输的是地址。

2. 当CLE为高电平时传输的是命令。

3. 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, Chapter16 lesson1 003.png

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。

对于我们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 Chapter16 lesson1 004.png

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 Chapter16 lesson1 005.png

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) Chapter16 lesson1 006.png

2,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 NFADDR=0x00 mw.b 0x4E00000C 0x00
发出地址0x00 NFADDR=0x00 mw.b 0x4E00000C 0x00
发出地址0x00 NFADDR=0x00 mw.b 0x4E00000C 0x00
发出地址0x00 NFADDR=0x00 mw.b 0x4E00000C 0x00
发出地址0x00 NFADDR=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


第002节_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, Chapter16 lesson2 001.png

NAND FLASH时序图,如下所示: Chapter16 lesson2 002.png Chapter16 lesson2 003.png Chapter16 lesson2 004.png 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。 Chapter16 lesson2 005.png 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。 Chapter16 lesson2 006.png 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);


第003节_NandFlash的芯片id读取

上节课我们讲解了NAND FLASH的初始化,这节课我们来讲解读取NAND FLASH的ID, 我们可以参考NAND FLASHh的芯片手册,如下图所示:(NAND FLASH读操作时序图) Chapter16 lesson3 001.png 我们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 Chapter16 lesson3 002.png 我们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。

下面我们写代码: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]);
}

下面我们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

oid 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;
}

第004节_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。 Chapter16 lesson4 001.png 下图的表格,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。 Chapter16 lesson4 002.png

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

下面我们开始写程序,想去读NAND FLASH应该怎样操作,下面是nand flash的地址周期。 Chapter16 lesson4 003.png 下图为读NAND FLASH的时序操作: Chapter16 lesson4 004.png 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: Chapter16 lesson4 005.png 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);
	}
}


第005节_NandFlash的擦除与烧写

我们本节需要做的事情:


1,实现nand_erase

2, 实现nand_write

3, 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: Chapter16 lesson5 001.png

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:

nt 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: Chapter16 lesson5 002.png 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;
		}
	}
}

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