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SPI NAND完全解讀-基于GD5F1GM7xExxG (qq.com)

前言

SPI NAND支持QSPI接口，具備高速，高可靠，低功耗的特點，相較于傳統(tǒng)并行接口，具有封裝體積小，引腳少，易于使用的優(yōu)勢，并且可以與SPI NOR Flash共用Layout設計，易于切換，使得其越來越廣泛使用。

本文以具體型號為GD5F1GM7xExxG的GD的NAND為例,對SPI NAND Flash進行介紹。不同廠家的不同型號都大同小異了解一款其他的也就都了解了。

GD的SPI NAND Flash介紹

參考官網(wǎng):

https://www.gigadevice.com.cn/product/flash/product-series/spi-nand-flash/

主要有1.8V和3.3V兩個電壓等級,1Gb,2Gb,4Gb這幾個容量可選。

頻率133(x1,x2,x4),104(x1,x2,x4),80(x1,x2,x4)

都是2K頁 2048+64B用戶spare+64B硬件ECC

都帶硬件ECC

支持DTR

溫度:

-40℃~85℃,

-40℃~105℃

封裝:

WSON8 8x6mm,

WSON8 6x5mm,

TFBGA24 8x6mm (5x5 ball array)

下面以GD5F1GM7xExxG詳細介紹。

基本特征

l1Gb大小,塊擦除，塊含64個 PAGE,PAGE編程(2KB+128B)。

l支持Standard, Dual, Quad SPI,DTR(只針對讀)

DTR即在Quad基礎上下邊沿都可以傳輸數(shù)據(jù),帶寬加倍，這個是一個高級功能。

l頻率

最大

Standard/Dual/Quad SPI 時133MHz

DTR Quad SPI 時104MHz 即104Mx4x2b/S, 最快104MB/S。

l軟硬件寫保護，低電壓LOCK保護。

l20KB OTP區(qū)域

lPAGE編程時間320uS,塊擦除3mS,PAGE讀120uS。

lBLOCK0保證OK。

l帶ECC的P/E次數(shù)80K,符合SLC的一般水平。數(shù)據(jù)可保持10年以上。

l支持硬件ECC，默認使能。

8位ECC編碼528B數(shù)據(jù)。

從FLASH中讀PAGE數(shù)據(jù)到CACHE中時可以自動檢測和校正錯誤，能夠校正的直接校正返回給用戶的就是正確的數(shù)據(jù)，有狀態(tài)表示校正錯誤狀態(tài)。額外空間有128字節(jié)，64字節(jié)給用戶使用，64字節(jié)給ECC使用。

l內(nèi)部數(shù)據(jù)移動和復制功能

這也是一個高級功能，針對FTL管理設計。

這在FTL中垃圾回收管理時非常有用，不需要再到用戶的memory里讀寫倒騰一次，就可以直接移動和復制，并且是帶ECC操作的。

l上電自動加載第一個塊的第一個PAGE到CACHE，并且是帶ECC校正和檢測的。

用戶可以直接讀CACHE，可以加快啟動時間。

有兩個緩存data register 和 cache register，前者更接近于memory陣列，所以作為NAND Flash存儲陣列操作的緩存,后者更接近IO,所以作為IO操作的數(shù)據(jù)緩存。

cache register使得可以進行頁內(nèi)的隨機讀寫，和copy back操作。

引腳

CS默認必須拉高,DQS不使用必須浮空

WP和HOLD不用必須拉高。

框圖

其中cache memory包括data register 和 cache register兩個PAGE大小的緩存。

地址

CA:即列地址,頁內(nèi)地址, 雖然12位可以表示04095，但是實際范圍是02175. 即2K+128字節(jié)的頁空間。

列地址可以理解為矩陣幾行幾列的列。列地址即一行數(shù)據(jù)(頁)里面的偏移。

RA:行地址, RA<5:0>表示頁地址,RA<15:6>表示塊地址。

存儲組織

頁大小是2K+128,一個塊有64個頁,以鞏固1024個塊。

一個PAGE有128字節(jié)的額外存儲空間，其中前面的64字節(jié)是給用戶用的,FTL的管理使用。后面64字節(jié)是硬件ECC使用。

使能CECC時后面的64字節(jié)用戶不能寫但是可以讀。

硬件ECC不使能時,整個128字節(jié)用戶都可以讀寫。

設備操作

SPI接口

支持兩種模式

模式0 CPOL = 0, CPHA = 0 CLK默認低,第一個邊沿鎖存數(shù)據(jù)(第一個上升沿)

模式3 CPOL = 1, CPHA = 1 CLK默認高,第二個邊沿多存數(shù)據(jù)(第一個上升沿)

兩種方式都是上升沿設備輸入數(shù)據(jù)鎖存SI,然后下降沿主機輸入數(shù)據(jù)鎖存SO。

如下圖所示

CS拉低是一次通訊的開始,

在SCLK的上升沿SI鎖存數(shù)據(jù)(設備鎖存數(shù)據(jù))：注意發(fā)送端實際在前一個下降沿就已經(jīng)開始輸出數(shù)據(jù),因為數(shù)據(jù)需要有建立時間,然后上升沿設備對SI數(shù)據(jù)鎖存，在下一個下降沿主機結(jié)束數(shù)據(jù)輸出。

也就是SCLK為低時是SI的數(shù)據(jù)建立時間,SCLK為高時時SI的數(shù)據(jù)保持時間。

主機是在下降沿修改SI的數(shù)據(jù)的。

在SCLK的下降沿SO鎖存數(shù)據(jù)(主機鎖存數(shù)據(jù))：注意發(fā)送端實際在前一個上升降沿就已經(jīng)開始輸出數(shù)據(jù),因為數(shù)據(jù)需要有建立時間,然后下降沿主機對SO數(shù)據(jù)鎖存，在下一個上升沿沿設備結(jié)束數(shù)據(jù)輸出。

也就是SCLK為高時是SO的數(shù)據(jù)建立時間,SCLK為低時是SO的數(shù)據(jù)保持時間。

設備是在上升沿修改SO的數(shù)據(jù)的。

所以理想狀態(tài)是SCLK的上升沿在SI數(shù)據(jù)的中間。

在SCLK的下降沿在SO數(shù)據(jù)的中間。

還有就是需要注意下是高位在前的發(fā)送順序。

還有就需要注意,CS是高時如果是模式0則SCLK要保持低，如果是模式3則需要保持高，不能翻轉(zhuǎn)。只有CS拉低之后SCLK才能產(chǎn)生時鐘。

默認最好硬件上拉CS,即不使用SPI FLASH時,設備處于idle狀態(tài)。

標準SPI

發(fā)送命令時，和普通IO命令，都是用該模式

SCLK,CS,SI只做輸入,SO只做輸出

DualSPI

在使用x2 和 dual IO命令時的后面數(shù)據(jù)階段:

SI變?yōu)镾IO0 雙向

SO變?yōu)镾IO1 雙向

Quad SPI

在使用x4 和 Quad IO命令時:的后面數(shù)據(jù)階段

SI變?yōu)镾IO0 雙向

SO變?yōu)镾IO1 雙向

WP變?yōu)镾IO2 雙向

HOLD變?yōu)镾IO3 雙向

DTR Quad SPI

在狀態(tài)寄存器的QE位置位，且使用DTR Quad I/O Fast Read命令時的數(shù)據(jù)階段

在Quad SPI基礎上,SCLK的上升沿和下降沿都鎖存數(shù)據(jù)

HOLD模式

只有在QE=0時才支持該功能,如果QE=1則是使用DTR Quad SPI，HOLD引腳變?yōu)榱薙IO3.

在CS保持低時，HOLD拉低可以只暫停但是不停止正在進行的讀,寫，擦除操作。

HOLD的下降沿之后到SCLK變?yōu)榭臻e電平開始HOLD開始，

HOLD的上升沿之后SCLK變?yōu)榭臻e電平開始HOLD結(jié)束。

在HOLD階段SO高阻態(tài)，SI和SCLK被忽略掉。

如果HOLD時CS拉高，則會復位內(nèi)部狀態(tài)機邏輯結(jié)束操作，重新開始操作需要HOLD拉高CS拉低。

寫保護

WP用于硬件寫保護, QE=0時才支持該模式.

WP為低時(BP0, BP1, BP2 和INV, CMP)不可寫。

BRWD= 1,WP=0時 上述塊保護位不能修改。

掉電時序

避免在寫和擦除時掉電,或者在電壓低時操作。寫操作或者擦除進行中掉電會導致數(shù)據(jù)丟失或者損壞。問題:這里的丟失和損壞的影響域是什么，寫PAGE則指揮這一個PAGE損壞，擦除BLOCK只有這個BLOCK損壞嗎? 損壞只是數(shù)據(jù)不對，后面擦除就可以重新使用還是變?yōu)閴膲K?

DQS信號

DQS信號用于表示READ時輸出數(shù)據(jù)是否有效。DQS只在BGA24封裝有，用于高速傳輸時，相當于流控。只在 EEh命令用到。

設備接收到EEH命令時拉低QDS,表示忙，此時輸出數(shù)據(jù)無效，因為設備還在進行內(nèi)部處理，當DTR模式輸出數(shù)據(jù)到IO引腳上時拉高DQS，表示數(shù)據(jù)就緒，主機就可以讀數(shù)據(jù)了，相當于流控。

DQS的翻轉(zhuǎn)速度和CLK頻率是一樣的，DTR讀時數(shù)據(jù)必須在DQS的上升沿和下降沿鎖存數(shù)據(jù)。這個引腳不使用時必須浮空。

命令表

注意讀cache都需要有dummy,即需要等待一段時間讓設備準備就緒。

FFH Reset命令會復位PAGE READ/PROGRAM/ERASE操作

復位狀態(tài)寄存器P_FAIL/E_FAIL/WEL/OIP/ECCS/ECCSE

上電時序

需要注意的就是Vcc(min)之后至少需要tVSL時間之后才能拉低CS,之前必須一致保持高。

還有就是要注意Vwi,低于該電壓不允許寫,所以在設計電壓看門狗，和掉電保護電路時需要考慮該值,留有一定裕度。

性能參數(shù)和時序

注意軟復位0xFF之后需要延遲500uS以上才能發(fā)送下一個命令。

注意兩個參數(shù)

輸入信號的高低電平門限

低電平需要低于0.2VCC,高電平需要高于0.8VCC,這個需要測試下，保證IO能拉低到足夠低，拉高到足夠高。很多硬件設計有保護電路，上下拉電阻，串電阻導致分壓，三極管二極管壓降等導致電壓不夠足夠低或者足夠高，就不是很保險。

這里還有個參數(shù)需要注意下

正負過充不能超過2V,20nS,這個需要實際測試,理論上就不應該有過充，有些環(huán)境或者設計可能無法消除，也要保證不超過該值，越小越好。

壞塊

保證壽命時間內(nèi),最多有20個壞塊,壞塊標記是塊的spare區(qū)域的第一個字節(jié)0x800處為0x00，檢測的話非0xFF即認為壞塊。

操作

讀比編程的指令更多，讀可以使用x1，x2，x4，x4 DTR，且命令之后的Dummy和地址頁也可以x2，x4，x4 DTR。

而編程只有x1，x4，沒有DTR，命令之后的Dummy和地址也只能x1。

寫禁止/使能(0x06/0x04)

寫使能 直接發(fā)送0x06命令即可

頁編程,OTP保護和OTP編程,塊擦除前都需要寫使能。

寫使能生效后0xC0的寄存器WEL位置位

所以一般發(fā)送寫使能命名后要查詢該位確認是否使能。

注意以上編程操作之后WEL自動清0進入寫禁止狀態(tài)，這樣做是為了安全避免誤觸發(fā)寫。

寫禁止 直接發(fā)送0x04命令即可

該命令幾乎用不到，因為默認上電WEL就是0寫禁止的，每次編程操作之后硬件也會自動清零WEL進入寫禁止狀態(tài)。

讀

讀需要先通過0x13從FLASH中讀出數(shù)據(jù)到緩存中，然后通過0x03/0x0B,0x3B,0x6B等指令從緩沖區(qū)中隨機地址開始讀出數(shù)據(jù)。

0x03/0x0B,0x3B,0x6B除了數(shù)據(jù)階段前面的時序都是一樣的，數(shù)據(jù)階段分別使用x1，x2，

X4位。

讀到2048+128后繞回從0開始繼續(xù)。

使用4個引腳的指令需要先使能0xB0寄存器的QE 位。

讀ID(0x9F)

先發(fā)命令再9=8個Dummy Cycles，然后連續(xù)讀2個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

返回MID和DID可以用于區(qū)分具體的型號，具體值可以參考手冊。

以下是一個實測波形

讀PAGE(0x13)

0x13命令將FLASH中的頁讀到緩存中，需要提供24位的PAGE地址。設備收到地址后tRD時間內(nèi)將FLASH讀到緩沖中, 主機需要讀寄存器0xC0的OIP位，等待OIP為0表示完成。

整個流程如下

拉低CS，發(fā)0x13H的命令，然后發(fā)24位地址，再釋放CS，命令發(fā)送階段完成。

然后是狀態(tài)查詢階段，即讀0xC0寄存器的OIP位，詳見讀寄存器章節(jié)的說明。

從緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)(0x03/0x0B)

上述的PAGE讀到緩沖區(qū)后,主機就可以從緩沖區(qū)隨機讀數(shù)據(jù)了。

需要注意的是發(fā)送完命令后需要等4個Dummy cycles。然后發(fā)送12位的PAGE內(nèi)開始地址，然后再等待8個Dummy Cycles，然后就連續(xù)讀數(shù)據(jù)。

注意如果時鐘不停，CS不拉高則設備會一直吐數(shù)據(jù)，地址繞到2048+128的頁邊界后又從0開始繞回繼續(xù)。注意這里的邊界是2048+128而不是2048+64.

X2模式從緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)(0x3B)

前面和0x03/0xB都是一樣的，先發(fā)8位命令，接下來4位Dummy cycles，然后12位頁內(nèi)偏移地址，然后8個dummy cycles。

后面數(shù)據(jù)階段則不一樣，使用了IO0和IO1，IO0和IO1表示兩位IO1表示高位，然后從高位開始輸出，即4個Cycles吐出一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

X4模式從緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)(0x6B)

該模式前面和0x03/0xB的時序都是一樣的，從數(shù)據(jù)階段開始不一樣

使用了IO0和IO1，IO2,IO3，表示4位IO3表示高位，然后從高位開始輸出，即2個Cycles吐出一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

Dual IO****模式從緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)(0xBB)

與0x3B的區(qū)別是，0xBB只有命令字使用單IO,其他所有數(shù)據(jù)都是使用雙IO。

Quad IO****模式從緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)(0xEB)

與0x6B的區(qū)別是，0xEB只有命令字使用單IO,其他所有數(shù)據(jù)都是使用4IO。

Quad I/O DTR****模式從緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)(0xEE)

除了命令字節(jié)，其他的上升沿和下降沿都可以傳輸數(shù)據(jù)，使用4個IO。

不使用DQS

使用DQS

在Dummy和地址階段DQS為低，在數(shù)據(jù)階段DQS的雙邊沿鎖存數(shù)據(jù)。其他時候高阻態(tài)。

讀UID

UID是設備獨特碼，可以用于認證，設備編碼等場景。

共32字節(jié)，前面16字節(jié)和后面16字節(jié)是取反的關系，所以異或前后16字節(jié)應該全部是0xFF。

為了可靠，避免bit錯誤導致讀出錯誤，UID總共存了16份，如果前面的校驗錯誤(前后16字節(jié)異或不為0xFF),則可以繼續(xù)偏移32字節(jié)用后面的。

讀之前需要設置B0寄存器的OTP_EN為1.

然后回讀確認OTP_EN為1

然后用0x13指令讀FLASH到緩沖區(qū)，24位地址寫0.

確認OIP讀完

然后用0x03/0x0B讀UID數(shù)據(jù)，可以一次讀32x16字節(jié)，也可以一次讀32字節(jié)檢查不對再讀后面的。

讀參數(shù)頁

參數(shù)頁是一些描述芯片的組織，特征，時序和行為的參數(shù)。為了可靠數(shù)據(jù)至少存了3份，即至少有3個頁。

執(zhí)行過程和讀UID一樣，只是24位地址變?yōu)榱?.

讀之前需要設置B0寄存器的OTP_EN為1.

然后回讀確認OTP_EN為1

然后用0x13指令讀FLASH到緩沖區(qū)，24位地址寫1.

確認OIP讀完

然后用0x03/0x0B讀緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)。

參數(shù)頁符合ONFI標準(https://www.onfi.org/)，比如uC-FS的NAND的FTL層就支持使用ONFI模式自動配置NAND參數(shù)。

編程

先用0x02或者0x32指令將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)

然后0x06寫使能，確認寫使能成功

然后0x10執(zhí)行緩沖區(qū)到FLASH的寫

最后0x0F讀寄存器0xC0確認P_FAIL是否有錯，OIP是否完成

注意(84h/C4h/34h) 和(FFh) 指令是不會清除緩存中的內(nèi)容的，所以下次編程時要注意是否緩存區(qū)都是需要更新的數(shù)據(jù)，所以必須是一次更新整個緩沖區(qū)，不要部分更新。

0x02和0x32指令之后緊接著0x10則未被0x02和0x32指令更新的緩沖區(qū)區(qū)域的值變?yōu)?xFF。

(84h/C4h/34h) 指令之后緊接著0x10指令，緩沖區(qū)的內(nèi)容寫入NAND FLASH中。

編程地址按照塊的順序

QE=1時才能使用0x32指令

如果寫緩沖區(qū)，繞到了緩沖區(qū)邊界2176，后面的數(shù)據(jù)忽略而不是繞回，這個和讀是不一樣的。如果使能ECC寫最后面的64字節(jié)是忽略的。

編程加載PL(0x02)

8位命令0x02后是4個Dummy Cycles,然后是12位頁內(nèi)偏移地址，然后是數(shù)據(jù)。

使能ECC時只能寫2112個字節(jié)，否則可寫2176個字節(jié)。

編程加載PLx4(0x32)

必須QE=1

使能ECC時只能寫2112個字節(jié)，否則可寫2176個字節(jié)。

前面時序一樣，從數(shù)據(jù)階段開始使用4xIO

編程執(zhí)行PE(0x10)

需要指定24位的PAGE地址, 執(zhí)行后需要等待tPROG時間等待編程完，

可以查詢0xC0寄存器的P_FAIL和OIP

注意編程完成后會自動寫禁止，且緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)變得無效。

編程加載隨機數(shù)據(jù)(0x84)

該指令和0x02的區(qū)別是,0x02一次更新整個緩沖區(qū)的數(shù)據(jù),而本指令可以更新一部分緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，多次執(zhí)行可以更新不連續(xù)的區(qū)域。

編程加載隨機數(shù)據(jù)x4(0xC4/0x34)

和0x84一樣,只是數(shù)據(jù)階段使用4個IO

必須QE=1

內(nèi)部數(shù)據(jù)移動

0x13讀PAGE數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)

84H/C4H/34H 編程加載隨機數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)(可選更新部分數(shù)據(jù))，如果有多個零散的區(qū)域更新則需要執(zhí)行多次。

0x06寫使能

0x10執(zhí)行緩沖到NAND的寫

0x0F查詢狀態(tài)

塊擦除操作(0xD8)

先0x06寫使能

0xD8擦除，指定24位頁地址

等待tBERS 時間

0x0F讀0xC0的E_FAIL和OIP查詢狀態(tài)

復位

軟復位(0xFF)

停止操作進入idle狀態(tài)

軟復位后的寄存器值參考手冊

使能上電復位和上電復位(0x66,0x99)

比軟件復位更徹底，即和上電復位一樣的效果，寄存器值也和上電復位一樣。

復位完需要等待tVSL 時間，然后讀OIP確認空閑再進行其他操作。

正在編程的存儲器位置或正在擦除的塊的內(nèi)容不再有效。

先發(fā)0x66使能再發(fā)0x99執(zhí)行操作

特征操作與讀寫寄存器

寄存器用于控制行為，表示狀態(tài)

其中狀態(tài)寄存器0xC0 0xF0是只讀的，除了WEL可以通過0x06指令修改。

特征和保護寄存器0xA0 0xB0 0xD0可以讀寫進行配置。

注意OTP_PRT是非易失的即掉電保存的，其他的是掉電不保存。

特征寄存器一直保持直到上電復位或者重新修改。0xFF軟復位不會清除。

保留值只能寫0

QE=1才能使用4xIO

BRWD=1且WP為低時則不能修改塊保護配置

寄存器如下

默認值分別是

0xA0 0x38

0xB0 0x10

0xC0 0x00

0xD0 0x00

0xF0 0x08

寄存器的一些狀態(tài)位信息

ECC信息

驅(qū)動能力

OTP

提供一個受保護的10個PAGE大小的一次可編程區(qū)域。訪問OTP的10個頁需要按如下修改對應寄存器位。

PAGE0存UID

PAGE1存參數(shù)頁

PAGE2-PAGE11 用戶使用(只能通過0x02+0x10進行編程)，0x13+03H/0BH/3BH/6BH/BBH/EBH 讀出。需要按照如下設置OTP_PRT OTP_EN設置訪問屬性。寫的話先使能OTP的寫然后0x06寫使能，再編程。

塊保護

電源鎖定保護

BPL=1時 塊保護BP[0,2] , INV , CMP 和BRWD 將無法再修改除非掉電重啟。

可以用于QE模式?jīng)]有WP硬件保護時，軟件進行保護，保護kuai塊保護狀態(tài)不被修改。

ECC

ECC_EN默認為1，軟件可以修改使能或者禁用硬件ECC，

寫數(shù)據(jù)硬件自動計算ECC，此時最后64字節(jié)用戶不能寫，讀時自動進行數(shù)據(jù)校正，狀態(tài)信息更新到ECCS0/1 ECCSE0/1

布局如下，使能ECC時最后64字節(jié)可讀不可寫

讀寄存器(0x0F)

先發(fā)0x0F再發(fā)地址,無需dummy，然后讀字節(jié)

只有普通SPI模式

以下是實測不同寄存器的波形

寫寄存器(0x1F)

先發(fā)0x1F再發(fā)地址,無需dummy，然后寫字節(jié)

只有普通SPI模式

休眠操作

只針對1.8V的設備

進入休眠(0xB9)

此模式忽略所有的編程操作，收到指令tDP 時間后進行真正的休眠

只接受0xAB 0xFF 0x66 0x99指令

退出休眠(0xAB)

上電復位 或者0xAB指令

收到指令后tRES1 時間才可查詢狀態(tài),進行后續(xù)操作

總結(jié)

以上基于GD5F1GM7xExxG的GD的NAND為例,對SPI NAND Flash進行了詳細的介紹，對于驅(qū)動編寫來說重點關注其波形，所以邏輯分析儀不可少，然后是關注寫保護相關的操作量產(chǎn)時合適的保護可以避免異常的改寫數(shù)據(jù)。