淺談嵌入式系統(tǒng)中Nand-Flash的原理及應(yīng)用

NOR和NAND是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。Intel于1988年首先開發(fā)出NORflash技術(shù)，徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統(tǒng)天下的局面。緊接著，1989年，東芝公司發(fā)表了NANDflash結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盤一樣可以通過接口輕松升級。但是經(jīng)過了十多年之后，仍然有相當(dāng)多的硬件工程師分不清NOR和NAND閃存。NOR的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP,eXecuteInPlace），這樣應(yīng)用程序可以直接在flash閃存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR的傳輸效率很高，在1~4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。

flash閃存是非易失存儲器，可以對稱為塊的存儲器單元塊進(jìn)行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行，所以大多數(shù)情況下，在進(jìn)行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除。NAND器件執(zhí)行擦除操作是十分簡單的，而NOR則要求在進(jìn)行擦除前先要將目標(biāo)塊內(nèi)所有的位都寫為0.由于擦除NOR器件時(shí)是以64~128KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行一個(gè)寫入/擦除操作的時(shí)間為5s,與此相反，擦除NAND器件是以8~32KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms.

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

1 Nand-Flash存儲器的工作原理

1.1 Nand-Flash存儲器的組成結(jié)構(gòu)及指令集

K9F1208UOB的容量為64Mb,存儲空間按128K個(gè)頁（行）、每頁中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還將存儲空間分為塊（block），每1塊由32個(gè)頁構(gòu)成。因此K9F1208UOB中一共有4096個(gè)塊。這種"塊-頁"結(jié)構(gòu)，恰好能滿足文件系統(tǒng)中劃分簇和扇區(qū)的結(jié)構(gòu)要求。K9F1208UOB的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 K9F1208UOB的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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

NANDFlash的數(shù)據(jù)是以bit的方式保存在memorycell,一般來說，一個(gè)cell中只能存儲一個(gè)bit.這些cell以8個(gè)或者16個(gè)為單位，連成bitline,形成所謂的byte（x8）/word（x16），這就是NANDDevice的位寬。這些Line會再組成Page,（NANDFlash有多種結(jié)構(gòu)，我使用的NANDFlash是K9F1208,下面內(nèi)容針對三星的K9F1208U0M），每頁528Bytes（512byte（MainArea）+16byte（SpareArea）），每32個(gè)page形成一個(gè)Block（32*528B）。具體一片flash上有多少個(gè)Block視需要所定。我所使用的三星k9f1208U0M具有4096個(gè)block,故總?cè)萘繛?096*（32*528B）=66MB,但是其中的2MB是用來保存ECC校驗(yàn)碼等額外數(shù)據(jù)的，故實(shí)際中可使用的為64MB.

1.2 Nand-Flash操作

1.2.1 頁讀操作

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，頁讀操作通過將00h指令寫入指令寄存器，接著寫入3個(gè)地址（1個(gè)列地址，2個(gè)行地址）來啟動。一旦頁讀指令被器件鎖存，下面的頁讀操作就不需要再重復(fù)寫入指令了。

寫入指令和地址后，處理器可以通過對信號線R/B的分析來判斷該操作是否完成。如果信號為低電平，表示器件正"忙";為高電平，說明器件內(nèi)部操作完成，要讀取的數(shù)據(jù)被送入了數(shù)據(jù)寄存器。外部控制器可以在以50ns為周期的連續(xù)RE脈沖信號的控制下，從I/O口依次讀出數(shù)據(jù)。連續(xù)頁讀操作中，輸出的數(shù)據(jù)是從指定的列地址開始，直到該頁的最后-個(gè)列地址的數(shù)據(jù)為止。

1.2.2 頁寫操作

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

頁寫入周期總共包括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)的頁寄存器，接著器件進(jìn)入一個(gè)內(nèi)部寫入過程，將數(shù)據(jù)從頁寄存器寫入存儲宏單元。

串行數(shù)據(jù)寫入完成后，需要寫入"頁寫入確認(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)部寫入操作開始后，器件自動進(jìn)入"讀狀態(tài)寄存器"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)寄存器。可以通過檢測R/B的輸出，或讀狀態(tài)寄存器的狀態(tài)位（I/O 6）來判斷內(nèi)部寫入是否結(jié)束。在器件進(jìn)行內(nèi)部寫入操作時(shí)，只有讀狀態(tài)寄存器指令和復(fù)位指令會被響應(yīng)。當(dāng)頁寫入操作完成，應(yīng)該檢測寫狀態(tài)位（I/O 0）的電平。

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

1.2.3 塊擦除

擦除操作是以塊為單位進(jìn)行的。擦除的啟動指令為60h,塊地址的輸入通過兩個(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,它用來初始化內(nèi)部擦除操作。擦除確認(rèn)命令還用來防止外部干擾產(chǎn)生擦除操作的意外情況。器件檢測到擦除確認(rèn)命令輸入后，在WE的上升沿啟動內(nèi)部寫控制器開始執(zhí)行擦除和擦除校驗(yàn)。內(nèi)部擦除操作完成后，檢測寫狀態(tài)位（I/O 0），從而了解擦除操作是否有錯(cuò)誤發(fā)生。

1.2.4 讀狀態(tài)寄存器

K9F1208UOB包含一個(gè)狀態(tài)寄存器，該寄存器反應(yīng)了寫入或擦除操作是否完成，或?qū)懭牒筒脸僮魇欠駸o錯(cuò)。寫入70h指令，啟動讀狀態(tài)寄存器周期。狀態(tài)寄存器的內(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)寄存器的指令，它就將保持狀態(tài)寄存器在讀狀態(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)寄存器瀆操作，則在連續(xù)頁讀的過程中，必須重發(fā)00h或50h指令。

1.2.5 讀器件ID

K9F1208UOB器件具有一個(gè)產(chǎn)品鑒定識別碼（ID），系統(tǒng)控制器可以讀出這個(gè)ID,從而起到識別器件的作用。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。

1.2.6 復(fù)位

器件提供一個(gè)復(fù)位（RESET）指令，通過向指令寄存器寫入FFh來完成對器件的復(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，正在被修改的存儲器宏單元的內(nèi)容不再有效，指令寄存器被清零并等待下一條指令的到來。當(dāng)WP為高時(shí)，狀態(tài)寄存器被清為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的接口電路如圖2所示。

圖2 K9F1208UOB與S3C2440A硬件電路

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)了主要測試功能。

gpacon = rGPACON;

rGPACON=（rGPACON &~（0x3f《17））|（0x3f《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存儲器的接口，讀寫的過程要靠軟件編程來完成。初始化Nand-Flash后，就可以對Nand-Flash進(jìn)行操作了。

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:%x,Device:%x ",maker,device）；

NF8_Print_Id（）源碼如下：

NF_CMD（0x90）；//寫入90h指令

NF_ADDR（0x0）；//寫入地址00h

for（i=0;i<10;i++）；

Uart_Printf（"NFSTAT:0x%x ",rNFSTAT）；

id=NF_RDDATA8（）《8;//Maker code 0xec讀出ID值

id |=NF_RDDATA8（）；

//Devide code（K9S1208V:0x76），（K9K2G16U0M:0xca）

步驟3:頁讀寫程序

本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了某頁的寫及讀出驗(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++=0x0;//填0

for（i=0;i<512;i++）{

#if ADS10==TRUE

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

#else

if（offset==-1） srcPt++ =i%0xf;

#endif

else * srcPt++=i+offset;

}

寫之前先進(jìn)行擦除工作：

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

然后進(jìn)行頁寫入操作：

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)寫入到指定的頁中。寫入之后再讀出驗(yàn)證：

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

Uart_Printf（"Checking data. "）；

for（error=0,i=0;i<512;i++）{

if（* srcPt++!=*dstPt++）{//比較操作

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

error++;

}

}

if（error!=0）

{Uart_Printf（"Fail to R/W test（%d）。 ",error）；

return（2）；

}

else

{Uart_Printf（"R/W test OK. "）；

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)比較，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ADS1.2進(jìn)行編澤，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:下載程序運(yùn)行

將串口線與硬件開發(fā)系統(tǒng)板串口和開發(fā)PC機(jī)的COM1連接好（主要用于回顯），用USB線和開發(fā)PC 機(jī)的USB口相連后（主要用于數(shù)據(jù)的下載），打開DNW 軟件，將串口設(shè)置為COM1,比特率設(shè)置為115200,USB下載地址設(shè)為0x30000000.

使用DNW 將前面生成的可執(zhí)行文件下載到內(nèi)存中去運(yùn)行。

3 結(jié)束語

本文主要討論了Nand-flash存儲器芯片的工作原理以及以三星公司基于ARM公司的ARM920T處理器核S3C2440A為平臺舉了一個(gè)測試實(shí)例，讓讀者對整個(gè)存儲系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)過程有了一個(gè)較為全面的了解，便于在其它嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中運(yùn)用。