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
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