嵌入式系統(tǒng)中NandFlash的原理及應(yīng)用

-.z嵌入式系統(tǒng)中Nand-Flash的原理及應(yīng)用文檔說(shuō)明:

當(dāng)前各類嵌入式系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)中，存儲(chǔ)模塊是不可或缺的重要方面。NOR和NAND是目前市場(chǎng)上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。

Nor-flash存儲(chǔ)器的容量較小、寫入速度較慢，但因其隨機(jī)讀取速度快，因此在嵌入式系統(tǒng)中，常應(yīng)用在程序代碼的存儲(chǔ)中。Nor-flash存儲(chǔ)器的內(nèi)部構(gòu)造決定它不適合朝大容量開展;而Nand-flash存儲(chǔ)器構(gòu)造則能提供極高的單元密度，可以到達(dá)很大的存儲(chǔ)容量，并且寫入和擦除的速度也很快。

Nand-flash存儲(chǔ)器是flash存儲(chǔ)器的-種，其內(nèi)部采用非線性宏單元模式，為固態(tài)大容量存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)提供了廉價(jià)有效的解決方案。Nand-flash存儲(chǔ)器具有容量較大，改寫速度快，適用于大量資料的存儲(chǔ)，因而在業(yè)界得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如嵌入式產(chǎn)品中包括數(shù)碼相機(jī)、MP3隨身聽記憶卡、體積小巧的U盤等。

本文以三星公司的K9F1208UOB芯片為例，介紹Nand-flash存儲(chǔ)器芯片的讀寫流程和時(shí)序。

1Nand-Flash存儲(chǔ)器的工作原理

1.1Nand-Flash存儲(chǔ)器的組成構(gòu)造及指令集

K9F1208UOB的容量為64Mb，存儲(chǔ)空間按128K個(gè)頁(yè)(行)、每頁(yè)中528個(gè)字節(jié)(列)的組成方式構(gòu)成。備用的16列，位于列地址的512-527。K9F1208UOB還將存儲(chǔ)空間分為塊(block)，每1塊由32個(gè)頁(yè)構(gòu)成。因此K9F1208UOB中一共有4096個(gè)塊。這種“塊-頁(yè)〞構(gòu)造，恰好能滿足文件系統(tǒng)中劃分簇和扇區(qū)的構(gòu)造要求。K9F1208UOB的內(nèi)部構(gòu)造如圖1所示。

圖1K9F1208UOB的內(nèi)部構(gòu)造

K9F1208UOB的讀和寫都以頁(yè)為單位，擦除則以塊為單位進(jìn)展操作。

K9F1208UOB的地址通過(guò)8位端口傳送，有效地節(jié)省了引腳的數(shù)量，并能夠保持不同密度器件引腳的一致性，系統(tǒng)可以在電路不作改動(dòng)的情況下升級(jí)為高容量存儲(chǔ)器件。

K9F1208UOB通過(guò)CLE和ALE信號(hào)線實(shí)現(xiàn)I/O口上指令和地址的復(fù)用。指令、地址和數(shù)據(jù)都通過(guò)拉低WE和CE從I/O口寫入器件中。有一些指令只需要一個(gè)總線周期完成，例如，復(fù)位指令、讀指令和狀態(tài)讀指令等;另外一些指令，例如頁(yè)寫入和塊擦除，則需要2個(gè)周期，其中一個(gè)周期用來(lái)啟動(dòng)，而另一個(gè)周期用來(lái)執(zhí)行。

1.2Nand-Flash操作

頁(yè)讀操作

在初始上電時(shí)，器件進(jìn)入缺省的“讀方式1模式〞。在這一模式下，頁(yè)讀操作通過(guò)將00h指令寫入指令存放器，接著寫入3個(gè)地址(1個(gè)列地址，2個(gè)行地址)來(lái)啟動(dòng)。一旦頁(yè)讀指令被器件鎖存，下面的頁(yè)讀操作就不需要再重復(fù)寫入指令了。

寫入指令和地址后，處理器可以通過(guò)對(duì)信號(hào)線R/B的分析來(lái)判斷該操作是否完成。如果信號(hào)為低電平，表示器件正“忙〞;為高電平，說(shuō)明器件內(nèi)部操作完成，要讀取的數(shù)據(jù)被送入了數(shù)據(jù)存放器。外部控制器可以在以50ns為周期的連續(xù)RE脈沖信號(hào)的控制下，從I/O口依次讀出數(shù)據(jù)。連續(xù)頁(yè)讀操作中，輸出的數(shù)據(jù)是從指定的列地址開場(chǎng)，直到該頁(yè)的最后-個(gè)列地址的數(shù)據(jù)為止。

頁(yè)寫操作

K9F1208UOB的寫入操作也以頁(yè)為單位。寫入必須在擦除之后，否則寫入將出錯(cuò)。

頁(yè)寫入周期總共包括3個(gè)步驟：寫入串行數(shù)據(jù)輸入指令(80h)，然后寫入3個(gè)字節(jié)的地址信息，最后串行寫入數(shù)據(jù)。串行寫入的數(shù)據(jù)最多為528字節(jié)，它們首先被寫入器件內(nèi)的頁(yè)存放器，接著器件進(jìn)入一個(gè)內(nèi)部寫入過(guò)程，將數(shù)據(jù)從頁(yè)存放器寫入存儲(chǔ)宏單元。

串行數(shù)據(jù)寫入完成后，需要寫入“頁(yè)寫入確認(rèn)〞指令10h，這條指令將初始化器件的內(nèi)部寫入操作。如果單獨(dú)寫入10h而沒有前面的步驟，則10h不起作用。10h寫入之后，K9F1208UOB的內(nèi)部寫控制器將自動(dòng)執(zhí)行內(nèi)部寫入和校驗(yàn)中必要的算法和時(shí)序，這時(shí)系統(tǒng)控制器就可以去做別的事了。

內(nèi)部寫入操作開場(chǎng)后，器件自動(dòng)進(jìn)入“讀狀態(tài)存放器〞模式。在這一模式下，當(dāng)RE和CE為低電平時(shí)，系統(tǒng)可以讀取狀態(tài)存放器?？梢酝ㄟ^(guò)檢測(cè)R/B的輸出，或讀狀態(tài)存放器的狀態(tài)位(I/O6)來(lái)判斷內(nèi)部寫入是否完畢。在器件進(jìn)展內(nèi)部寫入操作時(shí)，只有讀狀態(tài)存放器指令和復(fù)位指令會(huì)被響應(yīng)。當(dāng)頁(yè)寫入操作完成，應(yīng)該檢測(cè)寫狀態(tài)位(I/O0)的電平。

內(nèi)部寫校驗(yàn)只對(duì)沒有成功地寫為0的情況進(jìn)展檢測(cè)。指令存放器始終保持著讀狀態(tài)存放器模式，直到其他有效的指令寫入指令存放器為止。

塊擦除

擦除操作是以塊為單位進(jìn)展的。擦除的啟動(dòng)指令為60h，塊地址的輸入通過(guò)兩個(gè)時(shí)鐘周期完成。這時(shí)只有地址位A14到A24是有效的，A9到A13則被忽略。塊地址載入之后執(zhí)行擦除確認(rèn)指令D0h，它用來(lái)初始化內(nèi)部擦除操作。擦除確認(rèn)命令還用來(lái)防止外部干擾產(chǎn)生擦除操作的意外情況。器件檢測(cè)到擦除確認(rèn)命令輸入后，在WE的上升沿啟動(dòng)內(nèi)部寫控制器開場(chǎng)執(zhí)行擦除和擦除校驗(yàn)。內(nèi)部擦除操作完成后，檢測(cè)寫狀態(tài)位(I/O0)，從而了解擦除操作是否有錯(cuò)誤發(fā)生。

讀狀態(tài)存放器

K9F1208UOB包含一個(gè)狀態(tài)存放器，該存放器反響了寫入或擦除操作是否完成，或?qū)懭牒筒脸僮魇欠駸o(wú)錯(cuò)。寫入70h指令，啟動(dòng)讀狀態(tài)存放器周期。狀態(tài)存放器的內(nèi)容將在CE或RE的下降沿處送出至I/O端口。

器件一旦接收到讀狀態(tài)存放器的指令，它就將保持狀態(tài)存放器在讀狀態(tài)，直到有其他的指令輸入。因此，如果在任意讀操作中采用了狀態(tài)存放器瀆操作，則在連續(xù)頁(yè)讀的過(guò)程中，必須重發(fā)00h或50h指令。

讀器件ID

K9F1208UOB器件具有一個(gè)產(chǎn)品鑒定識(shí)別碼(ID)，系統(tǒng)控制器可以讀出這個(gè)ID，從而起到識(shí)別器件的作用。讀ID的步驟是：寫入90h指令，然后寫入一個(gè)地址00h。在兩個(gè)讀周期下，廠商代碼和器件代碼將被連續(xù)輸出至I/O口。

同樣，一旦進(jìn)入這種命令模式，器件將保持這種命令狀態(tài)，直到接收到其他的指令為止。

復(fù)位

器件提供一個(gè)復(fù)位(RESET)指令，通過(guò)向指令存放器寫入FFh來(lái)完成對(duì)器件的復(fù)位。當(dāng)器件處于任意讀模式、寫入或擦除模式的忙狀態(tài)時(shí)，發(fā)送復(fù)位指令可以使器件中止當(dāng)前的操作，正在被修改的存儲(chǔ)器宏單元的內(nèi)容不再有效，指令存放器被清零并等待下一條指令的到來(lái)。當(dāng)WP為高時(shí)，狀態(tài)存放器被清為C0h。

2系統(tǒng)硬件連線及軟件設(shè)計(jì)

2.1硬件連線

K9F1208UOB和S3C2440A

圖2K9F1208UOB與S3C2440A

2.2軟件設(shè)計(jì)

步驟1：Nand-Flash初始化

利用ADS1.2等工具建立工程文件nandflash_test.mcp，在Nand.c文件中Test_K9S1208子函數(shù)實(shí)現(xiàn)了主要測(cè)試功能。

gpacon=rGPACON;

rGPACON=(rGPACON&~(0*3f<<17))|(0*3f<<17);

首先備份rGPACON的內(nèi)容，再設(shè)置GPA17-22的工作方式。然后調(diào)用Nand-Flash初始化函數(shù)。

NF8_Init0;//初始化函數(shù)

初始化函數(shù)的實(shí)現(xiàn)源碼如下：

rNFCONF=(TACLS<<12)|(TWRPH0<<8)I(TWRPH1<<4)|(0<<0)：

rNFCONT=(0<<13)|(0<<12)|(0<<10)|(0<<9)|(0<<8)|(1<<6)|(1<<5)|(1<<4)|(1<<1)|(1<<0)：

步驟2：讀器件ID碼

由于S3C2440A中沒有像支持SDRAM一樣提供直接與Nand-flash存儲(chǔ)器的接口，讀寫的過(guò)程要靠軟件編程來(lái)完成。初始化Nand-Flash后，就可以對(duì)Nand-Flash進(jìn)展操作了。

程序調(diào)用NF8_Print_Id()子函數(shù)讀出器件ID碼。

id=NF8_CheckId();//繼續(xù)調(diào)用子函數(shù)

device=(U8)id;

maker=(U8)(id>>8)：

Uart_Printf("Maker:%*,Device:%*",maker,device);

NF8_Print_Id()源碼如下：

NF_CMD(0*90);//寫入90h指令

NF_ADDR(0*0);//寫入地址00h

for(i=0;i<10;i++);

Uart_Printf("NFSTAT:0*%*",rNFSTAT);

id=NF_RDDATA8()<<8;//Makercode0*ec讀出ID值

id|=NF_RDDATA8();

//Devidecode(K9S1208V:0*76)，(K9K2G16U0M

步驟3：頁(yè)讀寫程序

本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了*頁(yè)的寫及讀出驗(yàn)證功能。Test_NFS_Rw子函數(shù)實(shí)現(xiàn)這一功能。

程序首先初始化要寫入的數(shù)據(jù)，*dstPt是要讀出驗(yàn)證的數(shù)據(jù)，先填0;*srcPt是要寫入的數(shù)據(jù)，先用隨機(jī)數(shù)填滿。

for(i=0;i<512;i++)*dstPt++=0*0;//填0

for(i=0;i<512;i++){

*ifADS10==TRUE

if(offset==-1)*srcPt++=rand()%0*ff;//隨機(jī)數(shù)填滿

*else

if(offset==-1)srcPt++=i%0*f;

*endif

else*srcPt++=i+offset;

}

寫之前先進(jìn)展擦除工作：

if(NF8_EraseBIock(block)==FAIL)return;

然后進(jìn)展頁(yè)寫入操作：

if(NF8_WritePage(block,page,srcPt)==FAIL)return;

將用隨機(jī)數(shù)填滿的srcPt指向的數(shù)據(jù)寫入到指定的頁(yè)中。寫入之后再讀出驗(yàn)證：

if(NF8_ReadPage(block,page,dstPt)==FAIL)return;

Uart_Printf("Checkingdata.");

for(error=0,i=0;i<512;i++){

if(*srcPt++!=*dstPt++){//比擬操作

Uart_Printf("Error:%d[W:%*,R:%*]",i,*srcPt,*dstPt);

error++;

}

}

if(error!=0)

{Uart_Printf("FailtoR/Wtest(%d).",error);

return(2);

}

else

{Uart_Printf("R/WtestOK.");

return(1);

}

其中NF8_ReadPage(block,page,dstPt)將讀出的數(shù)據(jù)放入dstPt指向的地址空間里。最后將寫入的數(shù)據(jù)和讀出的數(shù)據(jù)比擬，打印驗(yàn)證信息。

步驟4：編譯工程

所有的函數(shù)都實(shí)現(xiàn)以后，通過(guò)ADS1.2進(jìn)展編澤，生成可執(zhí)行文件。在工程文件夾"andflash_testaandflash_test_DatakDebugRel"下，可以看到nandflash_test.bin可執(zhí)行文件。

步驟5：