S3C2440-裸机篇-10 | 使用S3C2440操作Nand Flash

Posted 2021-08-15 Neutionwei

1. Nor Flash与Nand Flash

	Nor	Nand
接口	引脚多，类似于RAM	引脚较少
容量	小（1-32MB）	大（128-512MB）
读操作	简单，和RAM相同	简单，和RAM相同
写操作	发出特定命令才能写入	发出特定命令才能写入
价格	贵	便宜
比较	无坏块	有坏块
XIP	可以	不可以
应用场合	存储关键性代码（比如uboot，kernel）	存储海量数据（允许错误）

2. JZ2440开发板上的Nand Flash

JZ2440开发板上板载了一个Nand Flash，型号为K9F2G08U0C，大小为256MB，连接在S3C2440的nand控制器上，原理图如下：

3. Nand Flash的控制原理

3.1. 控制信号

Nand Flash相较于Nor Flash，引脚比较少，它是如何做到的呢？

Nand Flash将地址数据，读写数据，命令数据全部放在了8条数据线上（上图中的LDATA0-7），然后使用控制信号CLE、ALE、WE、RE来区分数据线上的数据，具体如下：

数据线上的数据含义	ALE（地址/数据）	CLE（命令/数据）	WE（写使能）	RE（读使能）
地址	高
命令数据	低	高
写入数据	低	低	低
读出数据	低	低		低

除此之外，还有三个控制引脚，它们的意义如下：

• CE：片选引脚（LDATA0-7总线复用，用片选信号防止互相干扰）
• WP：写保护引脚
• R/B：Flash当前状态引脚（高 -> 空闲或者就绪，低 -> 忙）

3.2. 操作命令

Nand Flash的本质还是Flash，所以操作流程和Nor Flash基本相同，都是：发命令 -> 发地址 - >发数据的流程。

这款Nand Flash的命令列表如下：

3.3. Nand Flash控制器

S3C2440内部有一个Nand Flash控制器，与板载Nand Flash相连，专门负责接收发出Nand Flash的控制信号脉冲，其结构如下：

Nand Flash大大简化了我们的编程工作，在操作之前首先按照这款Nand Flash的性能配置Nand Flash控制器的时序参数，然后只要操作Nand Flash控制器即可。

本文中利用uboot已经配置好Nand Flash控制器中的时序参数这一条件，直接借助uboot读写内存的能力来操作Nand Flash控制器的寄存器，来测试Nand Flash的读写。

因为数据线是共用的，uboot启动之后不会一直将Nand Flash使能，首先需要设置NFCONT寄存器，将片选信号使能：


要发送给Nand Flash的命令需要写入到Nand 控制器的 NFCMMD 寄存器中：

要发送给Nand Flash的地址需要写入到Nand 控制器的 NFADDR 寄存器中：

要发送给Nand Flash的数据需要写入到Nand 控制器的 NFDATA 寄存器中，从 Nand Flash 中读取出的数据也保存在 NFDATA 寄存器中：

4. 使用uboot命令直接读写内存操作Nand Flash

实验前提：烧录uboot.bin到Nor Flash，并且板子设置为Nor Flash启动方式。

知识准备：uboot | uboot内存操作指令mw和md详解。

4.1. 读取ID值（ManufacturerID和DeviceID）

查看Nand FLash芯片数据手册，可知读ID的时序如下：

图中表示的读取ID流程如下：

• ① 写命令90h
• ② 写地址00h
• ③ 读数据得到manufacturer code为ECH
• ④ 读数据得到device code为DAh、10h、15h、44h

设置 Nand Flash 寄存器 NFCONT，首先使能Nand Flash片选信号：

md.l 0x4E000004 1		//先将NFCONT中的值读出来
mw.l 0x4E000004 1		//写入0x01，bit2设置为0，开启片选信号
md.l 0x4E000004 1		//再次读出，检查是否设置成功

发出读ID的一系列流程：

mw.b 0x4E000008 0x90		//写命令90h
mw.b 0x4E00000C 0x00		//写地址00h

md.b 0x4E000010 1 //读取数据

复位，退出该模式：

mw.b 0x4E000008 0xff	//写入命令ff

这5个ID每个都有含义，如下：

读出的第三个ID是0x10，对应信息如下：

读出的第四个ID是0x95，其含义如下：

读出的第五个ID是0x44，其含义如下：

4.2. 读某个地址处的数据

查看芯片手册，时序图如图：

图中表示的读取某个地址处数据的流程如下：

• ① 写命令00h
• ② 写Col地址1
• ③ 写Col地址2
• ④ 写Row地址1
• ⑤ 写Row地址2
• ⑥ 写Row地址3
• ⑦ 写命令30h
• ⑧ 读数据

因为Nand Flash的容量有256MB，但是数据线只有8条，所以地址要分为5次来发送，如图：

（暂定）

首先使用uboot命令将0地址处的数据读出，方便后续检验读取的是否正确：

设置 Nand Flash 寄存器 NFCONT，首先使能Nand Flash片选信号：

md.l 0x4E000004 1		//先将NFCONT中的值读出来
mw.l 0x4E000004 1		//写入0x01，bit2设置为0，开启片选信号
md.l 0x4E000004 1		//再次读出，检查是否设置成功

发出读0地址处数据的一系列流程：

mw.b 0x4E000008 0x00		//写命令00h
mw.b 0x4E00000C 0x00		//写地址00h
mw.b 0x4E00000C 0x00
mw.b 0x4E00000C 0x00
mw.b 0x4E00000C 0x00
mw.b 0x4E00000C 0x00
mw.b 0x4E000008 0x30		//写命令00h

md.b 0x4E000010 1 //读取数据

复位，退出该模式：

mw.b 0x4E000008 0xff	//写入命令ff

5. Nand Flash操作代码

上述uboot的操作中，发命令、发地址、发数据、读数据只需要访问Nand Flash控制器的三个寄存器即可，非常简单，在程序中操作nand flash也是访问这三个寄存器即可。

但是在uboot中，nand flash控制器已经被初始化好了，所以在自己编写程序时，需要根据nand flsh的时序参数来初始化nand flash控制器。

5.1. 时序参数初始化

在S3C2440的芯片手册中，首先是CLE（命令/数据）控制信号和ALE控制信号（地址/数据）的时序，如图：

再查找nand flash芯片手册中相对应的时序参数：

所以，从CLE信号发出之后，经过tCLS - tWP时间之后，才能发出WE信号，在芯片手册中查找具体的值：

从时序的具体值中得出，tCLS - tWP = 0，也就是Nand Flash控制器的TACLS参数可以设置为0，设置对应的寄存器，该值可以设置为0：

同样的方法，nand flash控制器中的参数TWRPH0对应着nand flash中的tWP参数（min = 12ns），HCLK=100Mhz，周期为10ns，则TWRPH0的寄存器要设置为1（20ns）：

同样的方法，nand flash控制器中的参数TWRPH1对应着nand flash中的tCLH参数（min = 5ns），HCLK=100Mhz，周期为10ns，则TWRPH1的寄存器要设置为0（10ns）：

5.2. nand flash控制器使能

在nand flash 控制器的控制寄存器中：

nand flash控制器使能设置如下（其中片选信号在操作时再打开）：

5.3. 编写nand flash控制器初始化代码

//nand flash控制器初始化
void nand_init(void)
{
    //时序参数初始化
    NFCONF = (0<<12)|(1<<8)|(0<<4);
    //nand flash控制器使能
    //禁止片选，片选信号在操作时再打开
    //初始化ECC
    NFCONT = (1<<4)|(1<<1)|(1<<0);
}

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