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第016课 Nand Flash操作原理及裸机程序分析

2019-07-13 18:33发布生成海报

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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
这里写图片描述

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：

当ALE为高电平时传输的是地址。
当CLE为高电平时传输的是命令。
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，
这里写图片描述

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
这里写图片描述

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：

读ID

S3C2440 u-boot 选中 NFCONT的bit1设为0 发出命令0x90 NFCMMD=0x90 发出地址0x00 NFADDR=0x00 读数据得到0xEC val=NFDATA 读数据得到device code val=NFDATA 退出读ID的状态 NFCMMD=0xff 下图是读操作时序图
这里写图片描述

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）
这里写图片描述

2，读数据 S3C2440 u-boot 选中 NFCONT的bit1设为0 发出命令0x00 NFCMMD=0x00 发出地址0x00 NFADDR=0x00 发出地址0x00 NFADDR=0x00 发出地址0x00 NFADDR=0x00 发出地址0x00 NFADDR=0x00 发出地址0x00 NFADDR=0x00 发出命令0x30 NFCMMD=0x30 读数据得到0x17 val=NFDATA 读数据得到0x00 val=NFDATA 读数据得到0x00 val=NFDATA 读数据得到0xea val=NFDATA 退出读状态 NFCMMD=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，
这里写图片描述

NAND FLASH时序图，如下所示：
这里写图片描述

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。
这里写图片描述

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。
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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）
这里写图片描述

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
这里写图片描述

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

",buf[0]);
    printf("device  id  = 0x%x

",buf[1]);    
    printf("3rd byte    = 0x%x

",buf[2]);        
    printf("4th byte    = 0x%x

",buf[3]);            
    printf("page  size  = %d kb

",1  <<  (buf[3] & 0x03));   
    printf("block size  = %d kb

",64 << ((buf[3] >> 4) & 0x03)); 
    printf("5th byte    = 0x%x

",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

");
        printf("[e] Erase nand flash

");
        printf("[w] Write nand flash

");
        printf("[r] Read nand flash

");
        printf("[q] quit

");
        printf("Enter selection: ");

        c = getchar();
        printf("%c

", 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("

g_A = ");
    printHex(g_A);
    puts("

");

    //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。
这里写图片描述

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。
这里写图片描述

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。
这里写图片描述

下图为读NAND FLASH的时序操作：
这里写图片描述

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：
这里写图片描述

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：
这里写图片描述

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

");
        return -1;
    }

    if (len & (0x1FFFF))
    {
        printf("nand_erase err, len is not block align

");
        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：
这里写图片描述

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 ...

");
    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 : 

");
    /* 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("

");
    }
}

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 ...

");
    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

");
        printf("[e] Erase nand flash

");
        printf("[w] Write nand flash

");
        printf("[r] Read nand flash

");
        printf("[q] quit

");
        printf("Enter selection: ");

        c = getchar();
        printf("%c

", 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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