淺談NorFlash的原理及其應用

NOR Flash

NOR Flash是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術之一。Intel于1988年首先開發(fā)出NOR Flash 技術，徹底改變了原先由EPROM（Erasable Programmable Read-Only-Memory電可編程序只讀存儲器）和EEPROM（電可擦只讀存儲器Electrically Erasable Programmable Read - Only Memory）一統(tǒng)天下的局面。緊接著，1989年，東芝公司發(fā)表了NAND Flash 結構，強調降低每比特的成本，有更高的性能，并且像磁盤一樣可以通過接口輕松升級。NOR Flash 的特點是芯片內執(zhí)行（XIP ，eXecute In Place），這樣應用程序可以直接在Flash閃存內運行，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到它的性能。NAND的結構能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快。應用NAND的困難在于Flash的管理需要特殊的系統(tǒng)接口。

性能比較

flash閃存是非易失存儲器，可以對稱為塊的存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內進行，所以大多數情況下，在進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則要求在進行擦除前先要將目標塊內所有的位都寫為0。

由于擦除NOR器件時是以64～128KB的塊進行的，執(zhí)行一個寫入/擦除操作的時間為5s，與此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的塊進行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。

執(zhí)行擦除時塊尺寸的不同進一步拉大了NOR和NAND之間的性能差距，統(tǒng)計表明，對于給定的一套寫入操作（尤其是更新小文件時），更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進行。這樣，當選擇存儲解決方案時，設計師必須權衡以下的各項因素。

l 、NOR的讀速度比NAND稍快一些。

2、 NAND的寫入速度比NOR快很多。

3 、NAND的4ms擦除速度遠比NOR的5s快。

4 、大多數寫入操作需要先進行擦除操作。

5 、NAND的擦除單元更小，相應的擦除電路更少。

此外，NAND的實際應用方式要比NOR復雜的多。NOR可以直接使用，并可在上面直接運行代碼；而NAND需要I/O接口，因此使用時需要驅動程序。不過當今流行的操作系統(tǒng)對NAND結構的Flash都有支持。此外，Linux內核也提供了對NAND結構的Flash的支持。

詳解

NOR和NAND是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術。Intel于1988年首先開發(fā)出NOR flash技術，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NAND flash結構，強調降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盤一樣可以通過接口輕松升級。但是經過了十多年之后，仍然有相當多的硬件工程師分不清NOR和NAND閃存。

像“flash存儲器”經?？梢耘c相“NOR存儲器”互換使用。許多業(yè)內人士也搞不清楚NAND閃存技術相對于NOR技術的優(yōu)越之處，因為大多數情況下閃存只是用來存儲少量的代碼，這時NOR閃存更適合一些。而NAND則是高數據存儲密度的理想解決方案。

NOR的特點是芯片內執(zhí)行（XIP， eXecute In Place），這樣應用程序可以直接在flash閃存內運行，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。

NAND結構能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快。應用NAND的困難在于flash的管理需要特殊的系統(tǒng)接口。

接口差別

NOR flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內部的每一個字節(jié)。

NAND器件使用復雜的I/O口來串行地存取數據，各個產品或廠商的方法可能各不相同。8個引腳用來傳送控制、地址和數據信息。

NAND讀和寫操作采用512字節(jié)的塊，這一點有點像硬盤管理此類操作，很自然地，基于NAND的存儲器就可以取代硬盤或其他塊設備。

容量成本編輯

NAND flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半，由于生產過程更為簡單，NAND結構可以在給定的模具尺寸內提供更高的容量，也就相應地降低了價格。

NOR flash占據了容量為1～16MB閃存市場的大部分，而NAND flash只是用在8～128MB的產品當中，這也說明NOR主要應用在代碼存儲介質中，NAND適合于數據存儲，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC（多媒體存儲卡Multi Media Card）存儲卡市場上所占份額最大。

可靠耐用

采用flash介質時一個需要重點考慮的問題是可靠性。對于需要擴展MTBF（平均故障間隔時間Mean Time Between Failures）的系統(tǒng)來說，F(xiàn)lash是非常合適的存儲方案?？梢詮膲勖陀眯裕?、位交換和壞塊處理三個方面來比較NOR和NAND的可靠性。

壽命（耐用性）

在NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數是一百萬次，而NOR的擦寫次數是十萬次。NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優(yōu)勢，典型的NAND塊尺寸為NOR器件的八分之一，每個NAND存儲器塊在給定的時間內的刪除次數要少一些。

.NorFlash簡單來說與sdram與Nand的中間品，它能像sdram一樣直接讀，但是又得像nand一樣編程擦寫。因此程序可以直接在nor里跑，速度要比sdram慢一些，往nor里寫數據必須先擦除，因為nor的每一位只能由1變?yōu)?。Nor可讀不可直接寫的特性可以被用來判斷是Nor啟動還是nand啟動，因為nand啟動的話前4K是可寫的，我們寫入數據再讀取出來應該是沒有問題的，而nor啟動的話，讀出的數據必然是錯誤的。

NorFlash的硬件接線：

首先，如果做過sdram實驗的朋友應該知道，NorFlash與sdram很相似，只不過sdram位寬為32，NOR為16。在硬件連接上，Nor的地址線與cpu的地址線錯開1位，sdram錯開2位。簡單分析一下：

32位的CPU地址線為32位，每一個地址對應1個byte，地址的步長為1byte

0x0000 0000 對應第1個地址空間 大小為1bytes

0x0000 0001 對應 2 大小為1bytes

依次類推。。.

可以理解為cpu的地址類型 為 u8 * addraddr+1 移動1個字節(jié)

32位的sdram，每一個地址對應于4個byte，地址步長為4byte

0x0000 0000 對應第1個地址空間 大小為4bytes

0x0000 0001 對應 2 大小為4bytes

依次類推。。.

可以理解為sdram的地址類型 為 u32 * addraddr+1 移動4個字節(jié)

16位的nor，每一個地址對應于2個byte，地址步長為2byte

0x0000 0000 對應第1個地址空間 大小為2bytes

0x0000 0001 對應 2 大小為2bytes

依次類推。。.

可以理解為nor的地址類型 為 u16 * addraddr+1 移動2個字節(jié)

因此，CPU的地址與它們的地址是錯位的。

CPU的4個連續(xù)地址 如 0 1 2 3 均對應于sdram的 0地址

CPU的2個連續(xù)地址 如 0 1 均對應于nor 的 0地址

假如我想取sdram 0地址的 第二個byte 地址如何寫？對于sdram和nor具體的每一個byte是無法尋址的呀，但是arm有一個叫存儲管理器的東西，它大概會幫我們實現(xiàn)單字節(jié)的讀寫，至于sdram和nor支不支持單字節(jié)讀寫，我們后邊在分析。

NorFlash的軟件設置：

需要像初始化sdram一樣，設置Bank寄存器，主要是一些時序圖的時間大小。

位寬在BWSCON寄存器中設置，不過它是由硬件決定的，bank0的位寬，我們撥動開關選擇nor啟動還是nand啟動的時候，它就已經確定了。

NorFlash信息：

我這款Nor大小為2M，32個Block，每個block分為16個sector，一個sector為4K，具體信息如下圖。

NorFlash寫、擦除、讀芯片ID：

Nor可以像sdram一樣直接讀取，對于其它的操作，例如寫、擦除、讀信息等需要寫特定的Date到特定的Addr。

這里尤其需要注意的是，Addr指的是nor地址線上看到的地址，相對于cpu也就是我們寫程序的時候，需要將addr《《1，這樣cpu錯位的地址線發(fā)出的地址正好對上nor需求的地址。

對于擦除操作，nor支持按block、sector或者整片的擦除，整個擦除需要6個周期，以按sector擦除為例，前五個周期為往XXX里寫XXX，最后一個周期將0X30寫入要擦除的sector對應的首地址即可。

對于寫操作，需要4個周期，前3個周期往XXX里寫XXX，最后一個周期將Data寫入addr，這里需要注意的是addr必須是半字對齊，data也要求為16bit。

對于讀取信息的操作，主要是讀ID的操作，前3個周期往XXX里寫XXX，第四個周期去讀特定的地址，對于DeviceID來說，A1-A19=0，A0=1，對于CPU來說就是0x1《《1.

NorFlash的等待：

NorFlash有三種方式，1中讀硬件引腳，另外兩種讀地址線，主要用讀地址線的兩種方式。

1、Toggle

連續(xù)讀兩次相同地址的數據，看DQ6是否相等，相等則擦除或寫完成

2、polling

讀數據，看DQ7是否正確，正確則擦除完成。如果擦除的話DQ7應該等于1，寫操作的話，對比數據的第7位。

還有，很重要的一點：

經過我的測試，sdram的單字節(jié)讀取沒有問題，但是Nor單字節(jié)讀取的時候，讀出的數據并不正確。比如我在0x00地址處寫入了0xff11，單字節(jié)讀取0x0理論上應該得到0x11，而我在實際實驗的時候得到的卻是0xff。也就是說nor在存儲半字數據的時候高8位于低8位互換了。

［cpp］ view plain copy

#include “uart.h”

#define MAIN_SECT_SIZE （4*1024） /* 4 KB */

#define CMD_UNLOCK1 0x000000AA

#define CMD_UNLOCK2 0x00000055

#define CMD_ERASE_SETUP 0x00000080

#define CMD_ERASE_CONFIRM 0x00000030

#define CMD_PROGRAM 0x000000A0

#define MEM_FLASH_ADDR1 （*（volatile U16 *）（0x000005555 《《 1））

#define MEM_FLASH_ADDR2 （*（volatile U16 *）（0x000002AAA 《《 1））

#define U16 unsigned short

#define U32 unsigned long

#define U8 unsigned char

int write_hword （U32 dest， U16 data）;

typedef struct {

U32 size; /* total bank size in bytes */

U16 sector_count; /* number of erase units */

U32 flash_id; /* combined device & manufacturer code */

U32 start［512］; /* physical sector start addresses */

} flash_info_t;

/*-----------------------------------------------------------------------*/

void flash_id（）{

MEM_FLASH_ADDR1 = CMD_UNLOCK1;

MEM_FLASH_ADDR2 = CMD_UNLOCK2;

MEM_FLASH_ADDR1 = 0x00000090;

print（“Manufacturer ID ：%x\r\n”，*（（U16 *）0x00））;

MEM_FLASH_ADDR1 = CMD_UNLOCK1;

MEM_FLASH_ADDR2 = CMD_UNLOCK2;

MEM_FLASH_ADDR1 = 0x00000090;

print（“Device ID ：%x\r\n”，*（（U16 *）（0x01《《1）））;

}

void flash_init （） //計算總大小，每個sector的起始地址

{

flash_id（）;

//print（“flash init OK\r\n”）;

print（“*（（U32 *）0x32000000） = 0x00001100\r\n”）;

*（（U32 *）0x32000000） = 0x00001100;

print（“U8 0x32000001 == %x\r\n”，*（（U8 *）0x32000001））;

*（（U8 *）0x32000003） = 0xff;

print（“*（（U8 *）0x32000003） = 0xff\r\n”）;

print（“now the U32 0x32000000 should be 0xff001100\r\n”）;

print（“U32 0x32000000 = %x\r\n”，*（（U32 *）0x32000000））;

print（“U8 0x32000000 = %x\r\n”，*（（U8 *）0x32000000））;

print（“U8 0x32000001 = %x\r\n”，*（（U8 *）0x32000001））;

print（“U8 0x32000002 = %x\r\n”，*（（U8 *）0x32000002））;

print（“U8 0x32000003 = %x\r\n”，*（（U8 *）0x32000003））;

if（flash_erase（0，1） == 0）

print（“erase OK\r\n”）;

U32 a = 0x00001c15;

U16 b = 0x11ff;

write_hword（a，b）;

print（“*（U32 *0x00001c15） == 0x11ff\r\n”）;

print（“U8 0x1c15 = %x\r\n”，*（（U8 *）0x1c15））;

print（“U8 0x1c16 = %x\r\n”，*（（U8 *）0x1c16））;

print（“U16 0x1c15 = %x\r\n”，*（（U16 *）0x1c15））;

if（write_buff（（1024*20），0，（7*1024）） == 0）

print（“write OK\r\n”）;

}

int flash_erase （int s_first， int s_last）

{

int i，j;

U32 size = 0;

flash_info_t flash_info;

for （i = 0; i 《 1; i++） {

U32 flashbase = 0;

flash_info.size = 2*1024*1024;

flash_info.sector_count = 512;

flashbase = 0;

for （j = 0; j 《 flash_info.sector_count; j++） {

flash_info.start［j］ =

flashbase + （j） * MAIN_SECT_SIZE;

//print（“%d \t：%d\r\n”，j，flash_info.start［j］）;

}

}

int sect;

unsigned short temp;

/* Start erase on unprotected sectors */

for （sect = s_first; sect 《= s_last; sect++） {

print （“Erasing sector %d 。。. \r\n”， sect+1）;

volatile U16 * addr = （volatile U16 *）（flash_info.start［sect］）;

MEM_FLASH_ADDR1 = CMD_UNLOCK1;

MEM_FLASH_ADDR2 = CMD_UNLOCK2;

MEM_FLASH_ADDR1 = CMD_ERASE_SETUP;

MEM_FLASH_ADDR1 = CMD_UNLOCK1;

MEM_FLASH_ADDR2 = CMD_UNLOCK2;

*addr = CMD_ERASE_CONFIRM;

print（“wait\r\n”）;

while（1）{

temp = （*addr） & 0x40; // 0100 0000 DQ6

if（temp ！= （*addr） & 0x40） //DQ6

continue;

if（*addr & 0x80） //dq7 ==1

break;

}

}

return 0;

}

//寫16位數據，地址應該是16位對齊的。

int write_hword （U32 dest， U16 data）

{

//print（“now to write %d\r\n”，dest）;

int rc;

volatile U16 *addr = （volatile U16 *）dest;

U16 result;

//Check if Flash is （sufficiently） erased

result = *addr;

if （（result & data） ！= data）

return 1;

MEM_FLASH_ADDR1 = CMD_UNLOCK1;

MEM_FLASH_ADDR2 = CMD_UNLOCK2;

MEM_FLASH_ADDR1 = CMD_PROGRAM;

*addr = data;

while（1）{

unsigned short i = *addr & 0x40;

if（i ！= （*addr & 0x40）） //D6 == D6

continue;

if（（*addr & 0x80） == （data & 0x80））{

rc = 0;

break; //D7 == D7

}

}

//print（“write %d OK\r\n”，dest）;

return rc;

}

int write_buff （U32 src， U32 addr， U32 len）

{

int rc;

U16 data; //16Bit？

if（addr % 2）{

print（“addr is not for 16bit align\n”）;

return 1;

}

while （len 》= 2） {

data = *（（volatile U16 *） src）;

if （（rc = write_hword （addr， data）） ！= 0） {

return （rc）;

}

src += 2;

addr += 2;

len -= 2;

}

return 0;

}