NandFlash讀寫過程

一、結構分析

S3C2410處理器集成了8位NandFlash控制器。目前市場上常見的8位NandFlash有三星公司的k9f1208、k9f1g08、k9f2g08等。k9f1208、k9f1g08、k9f2g08的數(shù)據(jù)頁大小分別為512Byte、2kByte、2kByte。它們在尋址方式上有一定差異，所以程序代碼并不通用。本文以S3C2410處理器和k9f1208系統(tǒng)為例，講述NandFlash的讀寫方法。

NandFlash的數(shù)據(jù)是以bit 的方式保存在memory cell里的，一般來說，一個cell 中只能存儲一個bit，這些cell 以8 個或者16 個為單位，連成bit line，形成所謂的byte(x8)/word(x16)，這就是NAND Device 的位寬。這些Line 組成Page， page 再組織形成一個Block。k9f1208的相關數(shù)據(jù)如下：

1block=32page；1page=528byte=512byte(Main Area)+16byte(Spare Area)。

總容量為=4096（block數(shù)量）*32（page/block）*512(byte/page)=64Mbyte

NandFlash以頁為單位讀寫數(shù)據(jù)，而以塊為單位擦除數(shù)據(jù)。按照k9f1208的組織方式可以分四類地址： Column Address、halfpage pointer、Page Address 、Block Address。A[0:25]表示數(shù)據(jù)在64M空間中的地址。

Column Address表示數(shù)據(jù)在半頁中的地址，大小范圍0~255，用A[0:7]表示；

halfpage pointer表示半頁在整頁中的位置，即在0~255空間還是在256~511空間，用A[8]表示；

Page Address表示頁在塊中的地址，大小范圍0~31，用A[13:9]表示；

Block Address表示塊在flash中的位置，大小范圍0~4095，A[25:14] 表示；

二、讀操作過程K9f1208的尋址分為4個cycle。分別是：A[0:7]、A[9:16]、A[17:24]、A[25]。

讀操作的過程為: 1、發(fā)送讀取指令；2、發(fā)送第1個cycle地址；3、發(fā)送第2個cycle地址；4、發(fā)送第3個cycle地址；5、發(fā)送第4個cycle地址；6、讀取數(shù)據(jù)至頁末。

K9f1208提供了兩個讀指令，‘0x00’、‘0x01’。這兩個指令區(qū)別在于‘0x00’可以將A[8]置為0，選中上半頁；而‘0x01’可以將A[8]置為1，選中下半頁。

雖然讀寫過程可以不從頁邊界開始，但在正式場合下還是建議從頁邊界開始讀寫至頁結束。下面通過分析讀取頁的代碼，闡述讀過程。

static void ReadPage(U32 addr, U8 *buf) //addr表示flash中的第幾頁，即‘flash地址>>9’

{

U16 i;

NFChipEn(); //使能NandFlash

WrNFCmd(READCMD0); //發(fā)送讀指令‘0x00’，由于是整頁讀取，所以選用指令‘0x00’

WrNFAddr(0); //寫地址的第1個cycle，即Column Address，由于是整頁讀取所以取0

WrNFAddr(addr); //寫地址的第2個cycle，即A[9:16]

WrNFAddr(addr>>8); //寫地址的第3個cycle，即A[17:24]

WrNFAddr(addr>>16); //寫地址的第4個cycle，即A[25]。

WaitNFBusy(); //等待系統(tǒng)不忙

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

buf[i] = RdNFDat(); //循環(huán)讀出1頁數(shù)據(jù)

NFChipDs(); //釋放NandFlash

}

三、寫操作過程

寫操作的過程為: 1、發(fā)送寫開始指令；2、發(fā)送第1個cycle地址；3、發(fā)送第2個cycle地址；4、發(fā)送第3個cycle地址；5、發(fā)送第4個cycle地址；6、寫入數(shù)據(jù)至頁末；7、發(fā)送寫結束指令

下面通過分析寫入頁的代碼，闡述讀寫過程。

static void WritePage(U32 addr, U8 *buf) //addr表示flash中的第幾頁，即‘flash地址>>9’

{

U32 i;

NFChipEn(); //使能NandFlash

WrNFCmd(PROGCMD0); //發(fā)送寫開始指令’0x80’

WrNFAddr(0); //寫地址的第1個cycle

WrNFAddr(addr); //寫地址的第2個cycle

WrNFAddr(addr>>8); //寫地址的第3個cycle

WrNFAddr(addr>>16); 寫地址的第4個cycle

WaitNFBusy(); //等待系統(tǒng)不忙

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

WrNFDat(buf[i]); //循環(huán)寫入1頁數(shù)據(jù)

WrNFCmd(PROGCMD1); //發(fā)送寫結束指令’0x10’

NFChipDs(); //釋放NandFlash

}

四、總結

本文以S3C2410處理器和k9f1208系統(tǒng)為例講述了nand flash的讀寫過程。在讀寫過程中沒有考慮到壞塊問題，有關ecc及壞塊處理問題將在下個專題中講述。我的板子上使用的是SAMSUNG的K9F1208U0B，下面我將對此型號的NandFlash讀取操作做一個講解。

首先我們先從物理結構上來了解這顆芯片，結構圖如下所示

正如硬盤的盤片被分為磁道，每個磁道又被分為若干扇區(qū)，一塊Nand Flash被分為若干Block,每個Block又被分為若干Page。

由上圖我們可以知道flash中Byte(字節(jié))，Page(頁),Block（塊）3個單位之間的關系為

1 Page =512 Bytes Data Field+ 16 Bytes Spare Field

1 Blcok="32" Pages

我們討論的K9F1208U0B總共有4096 個Blocks，故我們可以知道這塊flash的容量為4096 *(32 *528)= 69206016 Bytes = 66 MB

但事實上每個Page上的最后16Bytes是用于存貯檢驗碼用的，并不能存放實際的數(shù)據(jù)，所以實際上我們可以操作的芯片容量為

4096 *(32 *512) = 67108864 Bytes = 64 MB

由上圖所示，1個Page總共由528 Bytes組成，這528個字節(jié)按順序由上而下以列為單位進行排列（1列代表一個Byte。第0行為第0 Byte ，第1行為第1 Byte，以此類推，每個行又由8個位組成，每個位表示1個Byte里面的1bit）。這528Bytes按功能分為兩大部分，分別是Data Field和Spare Field，其中Spare Field占528Bytes里的16Bytes,這16Bytes是用于在讀寫操作的時候存放校驗碼用的，一般不用做普通數(shù)據(jù)的存儲區(qū)，除去這16Bytes,剩下的512Bytes便是我們用于存放數(shù)據(jù)用的Data Field，所以一個Page上雖然有528個Bytes，但我們只按512Bytes進行容量的計算。

Data Field按位置關系又可分為兩個部分，分別稱為1st half與2nd half，每個half各占256個bytes?；蛟S你會感到納悶，為什么要把DataField分為兩個部分？把他們看做一個整體進行操作不就好了嗎？呵呵，凡事都有因果關系，這么分塊自然有它的道理所在，但現(xiàn)在還不是告訴你答案的時候。我們還是先討論一下它的操作吧。

對K9F1208U0B的操作是通過向Nand Flash命令寄存器（對于s3c2410來說此寄存器為NFCMD，內存映射地址為0x4e000004）發(fā)送命令隊列進行的，為什么說是命令隊列？就是因為要完成某個操作的時候發(fā)送的不是一條命令，而是連續(xù)幾條命令或是一條命令加幾個參數(shù)

下面是K9F1208U0B的操作命令集：

讀命令有兩個，分別是 Read1,Read2其中Read1用于讀取Data Field的數(shù)據(jù)，而Read2則是用于讀取Spare Field的數(shù)據(jù)。對于Nand Flash來說，讀操作的最小操作單位為Page，也就是說當我們給定了讀取的起始位置后，讀操作將從該位置開始，連續(xù)讀取到本Page的最后一個Byte為止（可以包括Spare Field）

Nand Flash的尋址

Nand Flash的地址寄存器把一個完整的Nand Flash地址分解成Column Address與Page Address.進行尋址

Column Address: 列地址。Column Address其實就是指定Page上的某個Byte，指定這個Byte其實也就是指定此頁的讀寫起始地址。

Page Address：頁地址。由于頁地址總是以512Bytes對齊的，所以它的低9位總是0。確定讀寫操作是在Flash上的哪個頁進行的。

Read1命令

當我們得到一個Nand Flash地址src_addr時我們可以這樣分解出Column Address和Page Address

column_addr=src_addr%512; // column address

page_address=(src_addr>>9); // page address

也可以這么認為，一個Nand Flash地址的A0~A7是它的column_addr，A9~A25是它的Page Address。(注意地址位A8并沒有出現(xiàn)，也就是A8被忽略，在下面你將了解到這是什么原因)

Read1命令的操作分為4個Cycle，發(fā)送完讀命令00h或01h（00h與01h的區(qū)別請見下文描述）之后將分4個Cycle發(fā)送參數(shù)，1st.Cycle是發(fā)送Column Address。2nd.Cycle ,3rd.Cycle和4th.Cycle則是指定Page Address（每次向地址寄存器發(fā)送的數(shù)據(jù)只能是8位，所以17位的Page Address必須分成3次進行發(fā)送）。

4個Cycle

你是否還記得我上文提到過的Data Field被分為1st half 和2end half兩個部分？而從上面的命令集我們看到Read1的命令里面出現(xiàn)了兩個命令選項，分別是00h和01h。這里出現(xiàn)了兩個讀命是否令你意識到什么呢？是的，00h是用于讀寫1st half的命令，而01h是用于讀取2nd half的命令。現(xiàn)在我可以結合上圖給你說明為什么K9F1208U0B的DataField被分為2個half了。

如上文我所提及的，Read1的1st.Cycle是發(fā)送Column Address，假設我現(xiàn)在指定的Column Address是0，那么讀操作將從此頁的第0號Byte開始一直讀取到此頁的最后一個Byte(包括Spare Field)，如果我指定的Column Address是127，情況也與前面一樣，但不知道你發(fā)現(xiàn)沒有，用于傳遞Column Address的數(shù)據(jù)線有8條（I/O0~I/O7，對應A0~A7，這也是A8為什么不出現(xiàn)在我們傳遞的地址位中），也就是說我們能夠指定的Column Address范圍為0~255，但不要忘了，1個Page的DataField是由512個Byte組成的，假設現(xiàn)在我要指定讀命令從第256個字節(jié)處開始讀取此頁，那將會發(fā)生什么情景？我必須把Column Address設置為256，但Column Address最大只能是255，這就造成數(shù)據(jù)溢出。。。正是因為這個原因我們才把Data Field分為兩個半?yún)^(qū)，當要讀取的起始地址（Column Address）在0~255內時我們用00h命令，當讀取的起始地址是在256~511時，則使用01h命令.假設現(xiàn)在我要指定從第256個byte開始讀取此頁，那么我將這樣發(fā)送命令串

column_addr=256;

NF_CMD=0x01; ? 從2nd half開始讀取