Nand-flash存儲(chǔ)器工作原理及其操作實(shí)例（以K9F1208UOB為例）

　　　NAND Flash不能片內(nèi)執(zhí)行，但它具有容量大，改寫速度快的優(yōu)點(diǎn)。且NAND Flash比較廉價(jià)，適合用于存放大量數(shù)據(jù)。但是NAND Flash比較容易出現(xiàn)位反轉(zhuǎn)問題，在使用中一般需要進(jìn)行ECC數(shù)據(jù)校驗(yàn)?！?/p>

flash閃存是非易失存儲(chǔ)器，可以對(duì)稱為塊的存儲(chǔ)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(jiǎn)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.

NOR和NAND是現(xiàn)在市場(chǎng)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(jí)。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(chǔ)器，可以對(duì)稱為塊的存儲(chǔ)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(jiǎn)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(chǔ)器芯片的讀寫流程和時(shí)序。

　　1 Nand-Flash存儲(chǔ)器的工作原理

　　1.1 Nand-Flash存儲(chǔ)器的組成結(jié)構(gòu)及指令集

　　K9F1208UOB的容量為64Mb，存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(huì)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(duì)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(dòng)。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(duì)信號(hào)線R/B的分析來判斷該操作是否完成。如果信號(hào)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(hào)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(chǔ)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(dòng)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(dòng)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?？梢酝ㄟ^檢測(cè)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(huì)被響應(yīng)。當(dāng)頁寫入操作完成，應(yīng)該檢測(cè)寫狀態(tài)位（I/O 0）的電平。

　　內(nèi)部寫校驗(yàn)只對(duì)沒有成功地寫為0的情況進(jìn)行檢測(cè)。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(dòng)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(cè)到擦除確認(rèn)命令輸入后，在WE的上升沿啟動(dòng)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(cè)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(dòng)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(shí)別碼（ID），系統(tǒng)控制器可以讀出這個(gè)ID，從而起到識(shí)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(duì)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(chǔ)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(cè)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(chǔ)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(duì)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(chǔ)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(tái)舉了一個(gè)測(cè)試實(shí)例，讓讀者對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)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。