第016课 Nand Flash

第001节_NAND_FLASH操作原理

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 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，

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

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

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）

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，

NAND FLASH时序图，如下所示： 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。 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。 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） 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 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，NFADDR=0x00，就可以了。

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。 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。

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。 下图为读NAND FLASH的时序操作： 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： 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);
	}
}