S3C2440对Nand Flash操作和电路原理(基于K9F2G08U0A)-阿里云开发者社区

S3C2440内部集成了一个Nand flash控制器。S3C2440的Nand flash控制器包含了如下的特性：

l 一个引导启动单元

l Nand Flash存储器接口，支持8位或16位的每页大小为256字，512字节，1K字和2K字节的Nand flash

l 软件模式：用户可以直接访问Nand Flash存储器，此特性可以用于Nand Flash存储器的读、擦除和编程。

l S3C2440支持8/16位的Nand Flash存储器接口总线

l 硬件ECC生成，检测和指示(软件纠错)。

l Steppingstone接口，支持大/小端模式的按字节/半字/字访问。

我用的开发板是天嵌的TQ2440，板子用到的Nand Flash是Samsung公司的K9F2G08U0A，它是8位的Nand flash。本文只介绍Nand Flash的电路原理和Nand Flash的读、写、擦除等基本操作，暂不涉及Nand Flash启动程序的问题。

Nand Flash的电路连接如图 1所示：

图 1 Nand Flash电路原理

上图的左边为K9F2G08U0A与2440的连接图，原理方面就不多介绍，去看看datasheet估计就懂得了，右边的部分是S3C2440的Nand控制器的配置。配置引脚NCON，GPG13，GPG14和GPG15用来设置Nand Flash的基本信息，Nand控制器通过读取配置引脚的状态获取外接的Nand Flash的配置信息，图 2是这四个配置引脚的定义：

图 2 Nand控制配置引脚信息

由于K9F2G08U0A的总线宽度为8位，页大小为2048字节，需要5个寻址命令，所以NCON、GPG13和GPG14应该接高电平，GPG15应该接低电平。

K9F2G08U0A没有地址或数据总线，只有8个IO口，这8个IO口用于传输命令、地址和数据。K9F2G08U0A主要以page（页）为单位进行读写，以block（块）为单位进行擦除。每一页中又分为main区和spare区，main区用于正常数据的存储，spare区用于存储一些附加信息，如块好坏的标记、块的逻辑地址、页内数据的ECC校验和等。K9F2G08U0A的存储阵列如图 3所示：

图 3 K9F2G08U0A内部存储阵列

由上图，我们可以知道：K9F2G08U0A的一页为（2K＋64）字节（2K表示的是main区容量， 64表示的是spare区容量），它的一块为64页，而整个设备包括了2048个块。这样算下来一共有2112M位容量，如果只算main区容量则有256M字节（即256M×8位）。

图 4 K9F2G08U0A地址序列

要实现用8个IO口来要访问这么大的容量，如图 4所示：K9F2G08U0A规定了用5个周期来实现。第一个周期访问的地址为A0~A7；第二个周期访问的地址为A8~A11，它作用在IO0~IO3上，而此时IO4~IO7必须为低电平；第三个周期访问的地址为A12~A19；第四个周期访问的地址为A20~A27；第五个周期访问的地址为A28，它作用在IO0上，而此时IO1~IO7必须为低电平。前两个周期传输的是列地址，后三个周期传输的是行地址。通过分析可知，列地址是用于寻址页内空间，行地址用于寻址页，如果要直接访问块，则需要从地址A18开始。由于所有的命令、地址和数据全部从8位IO口传输，所以Nand flash定义了一个命令集来完成各种操作。有的操作只需要一个命令（即一个周期）即可，而有的操作则需要两个命令（即两个周期）来实现。K9F2G08U0A的命令说明如图 5所示：

图 5 K9F2G08U0A命令表

为了方便使用，我们宏定义了K9F2G08U0A的常用命令

#define CMD_READ1 0x00 //页读命令周期1

#define CMD_READ2 0x30 //页读命令周期2

#define CMD_READID 0x90 //读ID命令

#define CMD_WRITE1 0x80 //页写命令周期1

#define CMD_WRITE2 0x10 //页写命令周期2

#define CMD_ERASE1 0x60 //块擦除命令周期1

#define CMD_ERASE2 0xd0 //块擦除命令周期2

#define CMD_STATUS 0x70 //读状态命令

#define CMD_RESET 0xff //复位

#define CMD_RANDOMREAD1 0x05 //随意读命令周期1

#define CMD_RANDOMREAD2 0xE0 //随意读命令周期2

#define CMD_RANDOMWRITE 0x85 //随意写命令

接下来介绍几个Nand Flash控制器的寄存器。Nand Flash控制器的寄存器主要有NFCONF（Nand Flash配置寄存器），NFCONT（Nand Flash控制寄存器），NFCMMD（Nand Flash命令集寄存器），NFADDR（Nand Flash地址集寄存器），NFDATA（Nand Flash数据寄存器），NFMECCD0/1（Nand Flash的main区ECC寄存器），NFSECCD（Nand Flash的spare区ECC寄存器），NFSTAT（Nand Flash操作状态寄存器），NFESTAT0/1（Nand Flash的ECC状态寄存器），NFMECC0/1（Nand Flash用于数据的ECC寄存器），以及NFSECC（Nand Flash用于IO的ECC寄存器）。

（1）NFCONF:2440的NFCONF寄存器是用来设置NAND Flash的时序参数TACLS、TWRPH0、TWRPH1。配置寄存器的[3:0]是只读位，用来指示外部所接的Nand Flash的配置信息，它们是由配置引脚NCON，GPG13，GPG14和GPG15所决定的（比如说K9F2G08U0A的配置为NCON、GPG13和GPG14接高电平，GPG15接低电平，所以[3:0]位状态应该是1110）。

（2）NFCONT：用来使能/禁止NAND Flash控制器、使能/禁止控制引脚信号nFCE、初始化ECC。它还有其他功能，在一般的应用中用不到，比如锁定NAND Flash。

（3）NFCMMD：对于不同型号的Flash，操作命令一般不一样。参考前面介绍的K9F2G08U0A命令序列。

（4）NFADDR:当写这个寄存器时，它将对Flash发出地址信号。只用到低8位来传输，所以需要分次来写入一个完整的32位地址，K9F2G08U0A的地址序列在图4已经做了详细说明。

（5）NFDATA:只用到低8位，读、写此寄存器将启动对NAND Flash的读数据、写数据操作。

（6）NFSTAT:只用到位0，用来检测NAND是否准备好。0：busy，1：ready。

NFCONF寄存器使用TACLS、TWRPH0、TWRPH1这3个参数来控制NAND Flash信号线CLE/ALE与写控制信号nWE的时序关系，它们之间的关系如图6和图7所示：

图6 CLE/ALE时序图

图7 nWE和nRE时序图

TACLS为CLE/ALE有效到nWE有效之间的持续时间，TWRPH0为nWE的有效持续时间，TWRPH1为nWE无效到CLE/ALE无效之间的持续时间，这些时间都是以HCLK为单位的。通过查阅K9F2G08U0A的数据手册，我们可以找到并计算与S3C2440相对应的时序：K9F2G08U0A中的Twp与TWRPH0相对应，Tclh与TWRPH1相对应， TACLS应该是与Tcls相对应。K9F2G08U0A给出的都是最小时间， 2440只要满足它的最小时间即可。TACLS、TWRPH0、TWRPH1这三个变量取值大一些会更保险，在这里，这三个值分别取1，2和0。

下面就开始详细介绍K9F2G08U0A的基本操作，包括复位，读ID，页读、写数据，随意读、写数据，块擦除等。

为了更好地应用ECC和使能Nand Flash片选，我们还需要一些宏定义：

#define NF_nFCE_L() {rNFCONT &= ~(1

#define NF_CE_L() NF_nFCE_L() //打开nandflash片选

#define NF_nFCE_H() {rNFCONT |= (1

#define NF_CE_H() NF_nFCE_H() //关闭nandflash片选

#define NF_RSTECC() {rNFCONT |= (1

#define NF_MECC_UnLock() {rNFCONT &= ~(1

#define NF_MECC_Lock() {rNFCONT |= (1

#define NF_SECC_UnLock() {rNFCONT &= ~(1

#define NF_SECC_Lock() {rNFCONT |= (1

NFSTAT是另一个比较重要的寄存器，它的第0位可以用于判断nandflash是否在忙，第2位用于检测RnB引脚信号：

#define NF_WAITRB() {while(!(rNFSTAT&(1

#define NF_CLEAR_RB() {rNFSTAT |= (1

#define NF_DETECT_RB() {while(!(rNFSTAT&(1

//等待RnB信号变高，即不忙

NFCMMD，NFADDR和NFDATA分别用于传输命令，地址和数据，为了方便起见，我们可以定义一些宏定义用于完成上述操作：

#define NF_CMD(data) {rNFCMD = (data); } //传输命令

#define NF_ADDR(addr) {rNFADDR = (addr); } //传输地址

#define NF_RDDATA() rNFDATA) //读32位数据

#define NF_RDDATA8() (rNFDATA8) //读8位数据

#define NF_WRDATA(data) {rNFDATA = (data); } //写32位数据

#define NF_WRDATA8(data) {rNFDATA8 = (data); } //写8位数据

首先，是初始化操作

void rNF_Init(void)

{

rNFCONF = (TACLS

rNFCONT =

rNF_Reset();//复位芯片

}

复位操作，写入复位命令

static void rNF_Reset()

{

NF_CE_L(); //打开nandflash片选

NF_CLEAR_RB(); //清除RnB信号

NF_CMD(CMD_RESET); //写入复位命令

NF_DETECT_RB(); //等待RnB信号变高，即不忙

NF_CE_H(); //关闭nandflash片选

}

读取K9F2G08U0A芯片ID的操作如下：时序图在datasheet的figure18。首先需要写入读ID命令(0x90)，然后再写入0x00地址，并等待芯片就绪，就可以读取到一共五个周期的芯片ID，第一个周期为厂商ID，第二个周期为设备ID，第三个周期至第五个周期包括了一些具体的该芯片信息，函数如下

static char rNF_ReadID()

{

char pMID;

char pDID;

char cyc3, cyc4, cyc5;

NF_nFCE_L(); //打开nandflash片选

NF_CLEAR_RB(); //清RnB信号

NF_CMD(CMD_READID); //读ID命令

NF_ADDR(0x0); //写0x00地址

for ( i = 0; i

//读五个周期的ID

pMID = NF_RDDATA8(); //厂商ID：0xEC

pDID = NF_RDDATA8(); //设备ID：0xDA

cyc3 = NF_RDDATA8(); //0x10

cyc4 = NF_RDDATA8(); //0x95

cyc5 = NF_RDDATA8(); //0x44

NF_nFCE_H(); //关闭nandflash片选

return (pDID);

}

下面介绍Nand Flash读操作，读操作是以页为单位进行的。如果在读取数据的过程中不进行ECC校验判断，则读操作比较简单，在写入读命令的两个周期之间写入要读取的页地址，然后读取数据即可。如果为了更准确地读取数据，则在读取完数据之后还要进行ECC校验判断，以确定所读取的数据是否正确。

在上文中已经介绍过，Nand Flash的每一页有两区：main区和spare区，main区用于存储正常的数据，spare区用于存储其他附加信息，其中就包括ECC校验码。当我们在写入数据的时候，我们就计算这一页数据的ECC校验码，然后把校验码存储到spare区的特定位置中，在下次读取这一页数据的时候，同样我们也计算ECC校验码，然后与spare区中的ECC校验码比较，如果一致则说明读取的数据正确，如果不一致则不正确。ECC的算法较为复杂，好在S3C2440能够硬件产生ECC校验码，这样就省去了不少的麻烦事。S3C2440既可以产生main区的ECC校验码，也可以产生spare区的ECC校验码。因为K9F2G08U0A是8位IO口，因此S3C2440共产生4个字节的main区ECC码和2个字节的spare区ECC码。在这里我们规定，在每一页的spare区的第0个地址到第3个地址存储main区ECC，第4个地址和第5个地址存储spare区ECC。

产生ECC校验码的过程为：在读取或写入哪个区的数据之前，先解锁该区的ECC，以便产生该区的ECC。在读取或写入完数据之后，再锁定该区的ECC，这样系统就会把产生的ECC码保存到相应的寄存器中。main区的ECC保存到NFMECC0/1中（因为K9F2G08U0A是8位IO口，因此这里只用到了NFMECC0），spare区的ECC保存到NFSECC中。对于读操作来说，我们还要继续读取spare区的相应地址内容，以得到上次写操作时所存储的main区和spare区的ECC，并把这些数据分别放入NFMECCD0/1和NFSECCD的相应位置中。最后我们就可以通过读取NFESTAT0/1（因为K9F2G08U0A是8位IO口，因此这里只用到了NFESTAT0）中的低4位来判断读取的数据是否正确，其中第0位和第1位为main区指示错误，第2位和第3位为spare区指示错误。

下面是一段具体的页读操作程序：

U8 rNF_ReadPage( U32 page_number )

{

U32 i, mecc0, secc;

NF_RSTECC(); //复位ECC

NF_MECC_UnLock(); //解锁main区ECC

NF_nFCE_L();//使能芯片

NF_CLEAR_RB();//清除RnB

NF_CMD(CMD_READ1); //页读命令周期1，0x00

//写入5个地址周期

NF_ADDR(0x00); //列地址A0-A7

NF_ADDR(0x00); //列地址A8-A11

NF_ADDR((addr) & 0xff); //行地址A12-A19

NF_ADDR((addr >> 8) & 0xff); //行地址A20-A27

NF_ADDR((addr >> 16) & 0xff); //行地址A28

NF_CMD(CMD_READ2); //页读命令周期2，0x30

NF_DETECT_RB(); ////等待RnB信号变高，即不忙

for (i = 0; i

{

buf[i] = NF_RDDATA8();//读取一页数据内容

}

NF_MECC_Lock(); //锁定main区ECC值

NF_SECC_UnLock(); //解锁spare区ECC

mecc0=NF_RDDATA(); //读spare区的前4个地址内容，即第2048~2051地址，这4个字节为main区的ECC

//把读取到的main区的ECC校验码放入NFMECCD0/1的相应位置内

rNFMECCD0=((mecc0&0xff00)

rNFMECCD1=((mecc0&0xff000000)>>8)|((mecc0&0xff0000)>>16);

NF_SECC_Lock(); //锁定spare区的ECC值

secc=NF_RDDATA(); //继续读spare区的4个地址内容，即第2052~2055地址，其中前2个字节为spare区的ECC值

//把读取到的spare区的ECC校验码放入NFSECCD的相应位置内

rNFSECCD=((secc&0xff00)

NF_nFCE_H(); //关闭nandflash片选

//判断所读取到的数据是否正确

if ((rNFESTAT0&0xf) == 0x0)

return 0x66; //正确

else

return 0x44; //错误

}

这段程序是把某一页的内容读取到全局变量数组buffer中。该程序的输入参数直接就为K9F2G08U0A的第几页，例如我们要读取第128064页中的内容，可以调用该程序为：rNF_ReadPage(128064)。由于第128064页是第2001块中的第0页（128064＝2001×64＋0），所以为了更清楚地表示页与块之间的关系，也可以写为：rNF_ReadPage(2001*64)。

页写操作的大致流程为：在两个写命令周期之间分别写入页地址和数据，当然如果为了保证下次读取该数据时的正确性，还需要把main区的ECC值和spare区的ECC值写入到该页的spare区内。然后我们还需要读取状态寄存器，以判断这次写操作是否正确。下面就给出一段具体的页写操作程序，其中输入参数也是要写入数据到第几页：

U8 rNF_WritePage(U32 page_number)

{

U32 i, mecc0, secc;

U8 stat, temp;

temp = rNF_IsBadBlock(page_number>>6); //判断该块是否为坏块

if(temp == 0x33)

return 0x42; //是坏块，返回

NF_RSTECC(); //复位ECC

NF_MECC_UnLock(); //解锁main区的ECC

NF_nFCE_L(); //打开nandflash片选

NF_CLEAR_RB(); //清RnB信号

NF_CMD(CMD_WRITE1); //页写命令周期1

//写入5个地址周期

NF_ADDR(0x00); //列地址A0~A7

NF_ADDR(0x00); //列地址A8~A11

NF_ADDR((page_number) & 0xff); //行地址A12~A19

NF_ADDR((page_number >> 8) & 0xff); //行地址A20~A27

NF_ADDR((page_number >> 16) & 0xff); //行地址A28

for (i = 0; i

{

NF_WRDATA8((char)(i+6));

}

NF_MECC_Lock(); //锁定main区的ECC值

mecc0=rNFMECC0; //读取main区的ECC校验码

//把ECC校验码由字型转换为字节型，并保存到全局变量数组ECCBuf中

ECCBuf[0]=(U8)(mecc0&0xff);

ECCBuf[1]=(U8)((mecc0>>8) & 0xff);

ECCBuf[2]=(U8)((mecc0>>16) & 0xff);

ECCBuf[3]=(U8)((mecc0>>24) & 0xff);

NF_SECC_UnLock(); //解锁spare区的ECC

//把main区的ECC值写入到spare区的前4个字节地址内，即第2048~2051地址

for(i=0;i

{

NF_WRDATA8(ECCBuf[i]);

}

NF_SECC_Lock(); //锁定spare区的ECC值

secc=rNFSECC; //读取spare区的ECC校验码

//把ECC校验码保存到全局变量数组ECCBuf中

ECCBuf[4]=(U8)(secc&0xff);

ECCBuf[5]=(U8)((secc>>8) & 0xff);

//把spare区的ECC值继续写入到spare区的第2052~2053地址内

for(i=4;i

{

NF_WRDATA8(ECCBuf[i]);

}

NF_CMD(CMD_WRITE2); //页写命令周期2

delay(1000); //延时一段时间，以等待写操作完成

NF_CMD(CMD_STATUS); //读状态命令

//判断状态值的第6位是否为1，即是否在忙，该语句的作用与NF_DETECT_RB();相同

do{

stat = NF_RDDATA8();

}while(!(stat&0x40));

NF_nFCE_H(); //关闭Nand Flash片选

//判断状态值的第0位是否为0，为0则写操作正确，否则错误

if (stat & 0x1)

{

temp = rNF_MarkBadBlock(page_number>>6);//标注该页所在的块为坏块

if (temp == 0x21)

return 0x43 //标注坏块失败

else

return 0x44; //写操作失败

}

else

return 0x66; //写操作成功

}

该段程序先判断该页所在的坏是否为坏块，如果是则退出。在最后写操作失败后，还要标注该页所在的块为坏块，其中所用到的函数rNF_IsBadBlock和rNF_MarkBadBlock，我们在后面介绍。我们再总结一下该程序所返回数值的含义，0x42：表示该页所在的块为坏块；0x43：表示写操作失败，并且在标注该页所在的块为坏块时也失败；0x44：表示写操作失败，但是标注坏块成功；0x66：写操作成功。

擦除是以块为单位进行的，因此在写地址周期是，只需写三个行周期，并且要从A18开始写起。与写操作一样，在擦除结束前还要判断是否擦除操作成功，另外同样也存在需要判断是否为坏块以及要标注坏块的问题。下面就给出一段具体的块擦除操作程序：

U8 rNF_EraseBlock(U32 block_number)

{

char stat, temp;

temp = rNF_IsBadBlock(block_number); //判断该块是否为坏块

if(temp == 0x33)

return 0x42; //是坏块，返回

NF_nFCE_L(); //打开片选

NF_CLEAR_RB(); //清RnB信号

NF_CMD(CMD_ERASE1); //擦除命令周期1

//写入3个地址周期，从A18开始写起

NF_ADDR((block_number

NF_ADDR((block_number >> 2) & 0xff); //行地址A20~A27

NF_ADDR((block_number >> 10) & 0xff); //行地址A28

NF_CMD(CMD_ERASE2); //擦除命令周期2

delay(1000); //延时一段时间

NF_CMD(CMD_STATUS); //读状态命令

//判断状态值的第6位是否为1，即是否在忙，该语句的作用与NF_DETECT_RB();相同

do{

stat = NF_RDDATA8();

}while(!(stat&0x40));

NF_nFCE_H(); //关闭Nand Flash片选

//判断状态值的第0位是否为0，为0则擦除操作正确，否则错误

if (stat & 0x1)

{

temp = rNF_MarkBadBlock(page_number>>6); //标注该块为坏块

if (temp == 0x21)

return 0x43 //标注坏块失败

else

return 0x44; //擦除操作失败

}

else

return 0x66; //擦除操作成功

}

该程序的输入参数为K9F2G08U0A的第几块，例如我们要擦除第2001块，则调用该函数为：rNF_EraseBlock(2001)。

K9F2G08U0A除了提供了页读和页写功能外，还提供了页内地址随意读、写功能。页读和页写是从页的首地址开始读、写，而随意读、写实现了在一页范围内任意地址的读、写。随意读操作是在页读操作后输入随意读命令和页内列地址，这样就可以读取到列地址所指定地址的数据。随意写操作是在页写操作的第二个页写命令周期前，输入随意写命令和页内列地址，以及要写入的数据，这样就可以把数据写入到列地址所指定的地址内。下面两段程序实现了随意读和随意写功能，其中随意读程序的输入参数分别为页地址和页内地址，输出参数为所读取到的数据，随意写程序的输入参数分别为页地址，页内地址，以及要写入的数据。

U8 rNF_RamdomRead(U32 page_number, U32 add)

{

NF_nFCE_L(); //打开Nand Flash片选

NF_CLEAR_RB(); //清RnB信号

NF_CMD(CMD_READ1); //页读命令周期1

//写入5个地址周期

NF_ADDR(0x00); //列地址A0~A7

NF_ADDR(0x00); //列地址A8~A11

NF_ADDR((page_number) & 0xff); //行地址A12~A19

NF_ADDR((page_number >> 8) & 0xff); //行地址A20~A27

NF_ADDR((page_number >> 16) & 0xff); //行地址A28

NF_CMD(CMD_READ2); //页读命令周期2

NF_DETECT_RB(); //等待RnB信号变高，即不忙

NF_CMD(CMD_RANDOMREAD1); //随意读命令周期1

//页内地址

NF_ADDR((char)(add&0xff)); //列地址A0~A7

NF_ADDR((char)((add>>8)&0x0f)); //列地址A8~A11

NF_CMD(CMD_RANDOMREAD2); //随意读命令周期2

return NF_RDDATA8(); //读取数据

}

U8 rNF_RamdomWrite(U32 page_number, U32 add, U8 dat)

{

U8 temp,stat;

NF_nFCE_L(); //打开Nand Flash片选

NF_CLEAR_RB(); //清RnB信号

NF_CMD(CMD_WRITE1); //页写命令周期1

//写入5个地址周期

NF_ADDR(0x00); //列地址A0~A7

NF_ADDR(0x00); //列地址A8~A11

NF_ADDR((page_number) & 0xff); //行地址A12~A19

NF_ADDR((page_number >> 8) & 0xff); //行地址A20~A27

NF_ADDR((page_number >> 16) & 0xff); //行地址A28

NF_CMD(CMD_RANDOMWRITE); //随意写命令

//页内地址

NF_ADDR((char)(add&0xff)); //列地址A0~A7

NF_ADDR((char)((add>>8)&0x0f)); //列地址A8~A11

NF_WRDATA8(dat); //写入数据

NF_CMD(CMD_WRITE2); //页写命令周期2

delay(1000); //延时一段时间

NF_CMD(CMD_STATUS); //读状态命令

//判断状态值的第6位是否为1，即是否在忙，该语句的作用与NF_DETECT_RB();相同

do{

stat = NF_RDDATA8();

}while(!(stat&0x40));

NF_nFCE_H(); //关闭Nand Flash片选

//判断状态值的第0位是否为0，为0则写操作正确，否则错误

if (stat & 0x1)

return 0x44; //失败

else

return 0x66; //成功

}

下面介绍上文中提到的判断坏块以及标注坏块的那两个程序：rNF_IsBadBlock和rNF_MarkBadBlock。在这里，我们定义在spare区的第6个地址（即每页的第2054地址）用来标注坏块，0x44表示该块为坏块。要判断坏块时，利用随意读命令来读取2054地址的内容是否为0x44，要标注坏块时，利用随意写命令来向2054地址写0x33。下面就给出这两个程序，它们的输入参数都为块地址，也就是即使仅仅一页出现问题，我们也标注整个块为坏块。

U8 rNF_IsBadBlock(U32 block)

{

return rNF_RamdomRead(block*64, 2054);

}

U8 rNF_MarkBadBlock(U32 block)

{

U8 result;

result = rNF_RamdomWrite(block*64, 2054, 0x33);

if(result == 0x44)

return 0x21; //写坏块标注失败

else

return 0x60; //写坏块标注成功