S3C2440对NandFlash的基本操作.docx

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S3C2440对NandFlash的基本操作

S3C2440对NandFlash操作和电路原理

——K9F2G08U0A

S3C2440内部集成了一个Nandflash控制器。

S3C2440的Nandflash控制器包含了如下的特性：

l       一个引导启动单元

l       NandFlash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Nandflash

l       软件模式：

用户可以直接访问NandFlash存储器，此特性可以用于NandFlash存储器的读、擦除和编程。

l       S3C2440支持8/16位的NandFlash存储器接口总线

l       硬件ECC生成，检测和指示（软件纠错）。

l       Steppingstone接口，支持大/小端模式的按字节/半字/字访问。

我用的开发板是天嵌的TQ2440，板子用到的NandFlash是Samsung公司的K9F2G08U0A，它是8位的Nandflash。

本文只介绍NandFlash的电路原理和NandFlash的读、写、擦除等基本操作，暂不涉及NandFlash启动程序的问题。

NandFlash的电路连接如图1所示：

图1NandFlash电路原理

上图的左边为K9F2G08U0A与2440的连接图，原理方面就不多介绍，去看看datasheet估计就懂得了，右边的部分是S3C2440的Nand控制器的配置。

配置引脚NCON，GPG13，GPG14和GPG15用来设置NandFlash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NandFlash的配置信息，图2是这四个配置引脚的定义：

图2Nand控制配置引脚信息

      由于K9F2G08U0A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。

K9F2G08U0A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。

K9F2G08U0A的存储阵列如图3所示：

图3K9F2G08U0A内部存储阵列

由上图，我们可以知道：

K9F2G08U0A的一页为（2K＋64）字节（2K表示的是main区容量，64表示的是spare区容量），它的一块为64页，而整个设备包括了2048个块。

这样算下来一共有2112M位容量，如果只算main区容量则有256M字节（即256M×8位）。

图4K9F2G08U0A地址序列

要实现用8个IO口来要访问这么大的容量，如图4所示：

K9F2G08U0A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Nandflash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。

K9F2G08U0A的命令说明如图5所示：

图5K9F2G08U0A命令表

为了方便使用，我们宏定义了K9F2G08U0A的常用命令

#defineCMD_READ1                0x00             //页读命令周期1

#defineCMD_READ2                0x30             //页读命令周期2

#defineCMD_READID              0x90             //读ID命令

#defineCMD_WRITE1              0x80             //页写命令周期1

#defineCMD_WRITE2              0x10             //页写命令周期2

#defineCMD_ERASE1              0x60             //块擦除命令周期1

#defineCMD_ERASE2              0xd0             //块擦除命令周期2

#defineCMD_STATUS               0x70             //读状态命令

#defineCMD_RESET                0xff              //复位

#defineCMD_RANDOMREAD1         0x05      //随意读命令周期1

#defineCMD_RANDOMREAD2         0xE0      //随意读命令周期2

#defineCMD_RANDOMWRITE         0x85      //随意写命令

接下来介绍几个NandFlash控制器的寄存器。

NandFlash控制器的寄存器主要有NFCONF（NandFlash配置寄存器），NFCONT（NandFlash控制寄存器），NFCMMD（NandFlash命令集寄存器），NFADDR（NandFlash地址集寄存器），NFDATA（NandFlash数据寄存器），NFMECCD0/1（NandFlash的main区ECC寄存器），NFSECCD（NandFlash的spare区ECC寄存器），NFSTAT（NandFlash操作状态寄存器），NFESTAT0/1（NandFlash的ECC状态寄存器），NFMECC0/1（NandFlash用于数据的ECC寄存器），以及NFSECC（NandFlash用于IO的ECC寄存器）。

（1）NFCONF:

2440的NFCONF寄存器是用来设置NANDFlash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NandFlash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K9F2G08U0A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）。

（2）NFCONT：

用来使能/禁止NANDFlash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NANDFlash。

（3）NFCMMD：

对于不同型号的Flash，操作命令一般不一样。

参考前面介绍的K9F2G08U0A命令序列。

（4）NFADDR:

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，所以需要分次来写入一个完整的32位地址，K9F2G08U0A的地址序列在图4已经做了详细说明。

（5）NFDATA:

只用到低8位，读、写此寄存器将启动对NANDFlash的读数据、写数据操作。

（6）NFSTAT:

只用到位0，用来检测NAND是否准备好。

0：

busy，1：

ready。

NFCONF寄存器使用TACLS、TWRPH0、TWRPH1这3个参数来控制NANDFlash信号线CLE/ALE与写控制信号nWE的时序关系，它们之间的关系如图6和图7所示：

图6CLE/ALE时序图

图7nWE和nRE时序图

 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K9F2G08U0A的数据手册，我们可以找到并计算与S3C2440相对应的时序：

K9F2G08U0A中的Twp与TWRPH0相对应，Tclh与TWRPH1相对应，TACLS应该是与Tcls相对应。

K9F2G08U0A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K9F2G08U0A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。

为了更好地应用ECC和使能NandFlash片选，我们还需要一些宏定义：

#defineNF_nFCE_L（）        {rNFCONT&=~（1<<1）;}

#defineNF_CE_L（）          NF_nFCE_L（）    //打开nandflash片选

#defineNF_nFCE_H（）        {rNFCONT|=（1<<1）;}

#defineNF_CE_H（）         NF_nFCE_H（）       //关闭nandflash片选

#defineNF_RSTECC（）        {rNFCONT|=（1<<4）;}   //复位ECC

#defineNF_MECC_UnLock（）   {rNFCONT&=~（1<<5）;}  //解锁main区ECC

#defineNF_MECC_Lock（）     {rNFCONT|=（1<<5）;}   //锁定main区ECC

#defineNF_SECC_UnLock（）  {rNFCONT&=~（1<<6）;}   //解锁spare区ECC

#defineNF_SECC_Lock（）     {rNFCONT|=（1<<6）;}   //锁定spare区ECC

NFSTAT是另一个比较重要的寄存器，它的第0位可以用于判断nandflash是否在忙，第2位用于检测RnB引脚信号：

#defineNF_WAITRB（） {while（!

（rNFSTAT&（1<<0）））;} //等待NandFlash不忙

#defineNF_CLEAR_RB（）  {rNFSTAT|=（1<<2）;}   //清除RnB信号

#defineNF_DETECT_RB（）   {while（!

（rNFSTAT&（1<<2）））;}  //等待RnB信号变高，即不忙

NFCMMD，NFADDR和NFDATA分别用于传输命令，地址和数据，为了方便起见，我们可以定义一些宏定义用于完成上述操作：

#defineNF_CMD（data）      {rNFCMD =（data）;}       //传输命令

#defineNF_ADDR（addr）      {rNFADDR=（addr）;}       //传输地址

#defineNF_RDDATA（）        （rNFDATA）                 //读32位数据

#defineNF_RDDATA8（）       （rNFDATA8）                 //读8位数据

#defineNF_WRDATA（data）    {rNFDATA=（data）;}       //写32位数据

#defineNF_WRDATA8（data）   {rNFDATA8=（data）;}     //写8位数据

首先，是初始化操作

voidrNF_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

}

复位操作，写入复位命令

staticvoidrNF_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

}

读取K9F2G08U0A芯片ID的操作如下：

时序图在datasheet的figure18。

首先需要写入读ID命令（0x90），然后再写入0x00地址，并等待芯片就绪，就可以读取到一共五个周期的芯片ID，第一个周期为厂商ID，第二个周期为设备ID，第三个周期至第五个周期包括了一些具体的该芯片信息，函数如下

staticcharrNF_ReadID（）

{

      charpMID;

      charpDID;

      charcyc3,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NandFlash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，NandFlash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K9F2G08U0A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K9F2G08U0A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K9F2G08U0A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。

下面是一段具体的页读操作程序：

U8rNF_ReadPage（U32page_number）

{

   U32i,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&0xff000000）>>8）|（（mecc0&0xff0000）>>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）

return0x66;                 //正确

else

return0x44;                 //错误

}

这段程序是把某一页的内容读取到全局变量数组buffer中。

该程序的输入参数直接就为K9F2G08U0A的第几页，例如我们要读取第128064页中的内容，可以调用该程序为：

rNF_ReadPage（128064）。

由于第128064页是第2001块中的第0页（128064＝2001×64＋0），所以为了更清楚地表示页与块之间的关系，也可以写为：

rNF_ReadPage（2001*64）。

页写操作的大致流程为：

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。

下面就给出一段具体的页写操作程序，其中输入参数也是要写入数据到第几页：

U8rNF_WritePage（U32page_number）

{

U32i,mecc0,secc;

U8stat,temp;

temp=rNF_IsBadBlock（page_number>>6）;    //判断该块是否为坏块

if（temp==0x33）

return0x42;      //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）;

ECC