NAND Flash结构及相关函数

Posted 2021-01-30 lxl-lennie

目标：以NAND Flash K9F2G08U0M为例介绍其结构及其驱动程序的书写

1. 结构

由芯片手册中的图可知：K9F2G08U0M大小为2112Mbits（即 256MB = 2Gb ） 共有2048Block=128K页

这里： 

1个device=2048Block

1块Block=64Pages

1页Page=(2K+64)B            (每个地址里都存放了一个字节,用B表示)

其中，由于Nandflash自身的位反转问题，64B用于存放OOB地址，用作ECC校验；

（注意：每个芯片的块、页的大小可能不同，要根据具体的芯片手册决定）

2. NAND Flash与S3C2440的硬件连接

连接引脚分析：

    RnB: 就绪(ready)/忙(busy)输出信号,需要采用上拉电阻；（1:表示写入数据成功    0：表示正在写入）
    CLE: 命令(command)锁存(latch)使能；                          （1:     表示当前传的是命令值 )
    ALE: 地址锁存使能；                                                      （ 1：表示当前传的是地址值, 当CLE=0和ALE=0,表示传的是数据）
    nCE: 芯片使能(低电平使能) （n:表示低电平有效）
    nWE: 写使能 ,比如写命令时,当CLE=1,ALE=0时,当nWE来个上升沿,则会将IO数据写入flash中；
    nRE: 读使能,和nWE类似；
引脚操作：

1).  从NAND FLASH芯片手册可知，要操作NAND FLASH需要先发出命令怎么传入命令？

       在DATA0～DATA7上既传输数据，又传输地址，也传输命令：

       a. 当ALE=1为高电平时传输的是地址。

       b. 当ALE=0和CLE=0都为低电平时传输的是数据。

       c. 当CLE=1为高电平时传输的是命令。
2). 2440的数据线既接到NAND FLASH，也接到NOR FLASH，还接到SDRAM、DM9000等，怎样选中，避免干扰？

  这些设备，要访问之必须"选中"，没有选中的芯片不会工作，相当于没接一样。

3). 假设烧写NAND FLASH，把命令、地址、数据发给它之后，NAND FLASH肯定不可能瞬间完成烧写的，怎么判断烧写完成？

      通过状态引脚RnB来判断：它为高电平表示就绪，它为低电平表示正忙

3.  命令及相关操作

1）NAND Flash操作函数

a. 初始化函数nand_init()

先查看s3c2440的 芯片手册，可知：NAND Flash的初始化需要根据时序设置几个时间（寄存器）；

如上图所示：对于 CLE/ALE 上的时序，我们需要设置 TACLS，TWRPH0，TWRPH1，这几个都在 NFCONF 寄存器里。

由以上2440芯片手册中的图还无法得到具体时间设置，需要参考K9F2G08U0M的芯片手册。

K9F2G08U0M芯片时间设置表：

K9F2G08U0M芯片时序图：

其中，通过对照2440 NAND Flash时序图和K9F2G08U0M芯片时序图可知：

TACLS:  属于等待WE(写信号)就绪的时间, 

　　　　 TACLS的时间为：tCLS- tWP

由时间表可知，tCLS=15， tWP =15，则TACLS时间0；

根据寄存器中描述的计算公式：Duration =  HCLK x TACLS =>  0ns = 10ns x TACLS  => TACLS = 0

TWRPH0:属于WE(写信号)的时间,

　　　　TWRPH0的时间为： tWP =15nS

　　　　根据寄存器中描述的计算公式：Duration =  HCLK x（TWRPH0+1） =>  15=10x（TWRPH0+1） => TWRPH0 = 0.5， 由于取值范围为： (0~7) ,并且，时间表中的时间是最小能识别的时间，所以TWRPH0 = 1

TWRPH1:属于等待命令写入成功的时间,

　　　    TWRPH1的时间为：tCLH=5nS

　　　　根据寄存器中描述的计算公式：Duration =  HCLK x（TWRPH1+1） =>  5=10x（TWRPH1+1） =>  TWRPH1 = 0

（这里我们假设 开发板HCLK 为是 100MHz,，则 HCLK 的周期是 1/100MHz = 10ns）

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根据以上分析，初始化函数nand_init()写为：

 1  #define NFCONF (*((volatile unsigned long *)0x4E000000)) 
 2  void nand_init(void)
 3  {
 4      #define TACLS   0
 5      #define TWRPH0  1
 6      #define TWRPH1  0
 7      /* 设置时序 */
 8      NFCONF = (TACLS<<12)|(TWRPH0<<8)|(TWRPH1<<4);
 9      /* 使能NAND Flash控制器, 初始化ECC, 禁止片选 */
10      NFCONT = (1<<4)|(1<<1)|(1<<0);    
11  }

b. 芯片的选择和禁止函数

（让芯片操作nCE 引脚）

 1  #define NFCONT  (*((volatile unsigned long *)0x4E000004))
 2  void nand_select(void )  //使能片选
 3  {
 4      NFCONT &= ~(1<<1);   // NFCONT控制器位1置0
 5  }
 6  
 7  void nand_deselect(void ) //取消片选
 8  {
 9      NFCONT |= (1<<1);     // NFCONT控制器位1置1
10  }

c. 写命令

1  // 写命令 注意是八位的命令
2  #define NFCMMD (*((volatile unsigned char *)0x4E000008))
3  void nand_cmd(unsigned char cmd)
4 {
5  volatile int i;
6  NFCMMD = cmd;
7  for (i = 0; i<10; i++); // 延时一段时间
8 }

d. 写地址

地址序列分析：

由于Nand Flash地址引脚LDATA0-LDATA7只有8位,然而K9F2G08U0M的地址共有2048(块)*64(页)*2KB,为了读出多个地址,如下图,所以需要分5个周期来实现发送地址：

如上图,

A10~A0对应页大小(列),由于NANDFlash每页2048B，所以只用到A10~A0； （---->>这一页的第几个）

A28~A11对应页目录(行),表示共有2048块*64(每块有64页)个页目录；          （---->>泛指位于第几页）

例如，4100 地址就是：

 A10~A0=4100%2048= 4   (A2=1，其余为0)       第4列（个）

 A28~A11=4100/2048= 2 （A12=1，其余为0）  第二行

写地址函数nand_read_addr()为：

 1 void nand_read_addr(unsigned int addr) //发出5个周期的地址，之间需要延时一会
 2 {
 3 
 4    unsigned int col  = addr % 2048;
 5    unsigned int page = addr / 2048;
 6    volatile int i;                    
 7    NFADDR=(col>>0)&0xff;           //A7~A0,第1周期
 8    for(i=0;i<10;i++);
 9    NFADDR=(col>>8)&0x0f;           //A10~A8,第2周期
10    for(i=0;i<10;i++);
11    NFADDR=(page>>0)&0xff;          //A18~A11,第3周期
12    for(i=0;i<10;i++);
13    NFADDR=(page>>8)&0xff;          //A26~A19,第4周期
14    for(i=0;i<10;i++);
15    NFADDR=(page>>16)&0xff;         //A27~A28,第5周期
16    for(i=0;i<10;i++);  
17 }

e. 读数据

 K9F2G08U0M的芯片手册中的命令字：

读数据时序图：

 

根据以上时序图和芯片手册中的流程图可知读数据的步骤为：

(a)      使能片选CE,选中芯片；

(b)      写入读命令0x00到flash中

(b)      发送地址(分为5个周期，之间需要延时)

(c)      发送读命令0X30

(d)     判断状态，等待RnB信号为高电平

(e)     读数据

(f)　  取消选中芯片

 读数据函数nand_read()为：

 1 void nand_read(unsigned int addr, unsigned char *buf, unsigned int len)
 2 {
 3  int col = addr % 2048; //从该页的第几个开始读取 
 4  int i = 0;
 5   
 6  nand_select();      /* 1. 选中 */
 7  while (i < len)
 8  {
 9   nand_cmd(0x00);    /* 2. 发出读命令00h */
10   nand_addr(addr);   /* 3. 发出地址(分5步发出) */
11   nand_cmd(0x30);    /* 4. 发出读命令30h */
12   nand_wait_ready(); /* 5. 判断状态 */
13   /* 6. 读数据 */
14   for (; (col < 2048) && (i < len); col++)  //一行一行的读，第k页读完后，col=0，开始继续读，直到读取指定的长度len
15   {
16     buf[i] = nand_data();     
17     i++;
18     addr++;
19   }
20   col = 0;        
21  }
22  /* 7. 取消选中 */  
23  nand_deselect();
24 }

其中，判断状态（状态等待）函数nand_wait_teadynand_data，获取数据函数分别为：

 1 #define NFSTAT (*((volatile unsigned char *)0x4E000020))
 2 #define NFDATA (*((volatile unsigned char *)0x4E000010))
 3 void nand_wait_teady(void)
 4 {
 5     while(!(NFSTAT & 1))
 6          for(i = 0; i < 10; i++);
 7 }
 8 unsigned char nand_data(void)//返回一个字节的数据
 9 {
10     return NFDATA;
11 }

注意：/*addr:源地址,为32位地址,所以用unsigend int表示；因为每个地址里存的是一个字节,所以buf用unsigend char 型 */

 f. 复位 NAND Flash 函数

根据命令的表格， 复位函数表示为：

1     void nand_reset(void)
2     {
3         nand_select();           /* 1. 选中芯片
4         nand_cmd(0xff);          /* 2. 发出读命令0xff */
5         nand_read_ready();       /* 3, 判断状态 */
6         nand_deselect();         /* 4. 取消选中
7     }

 

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参考：

https://blog.csdn.net/qqliyunpeng/article/details/51180276

https://www.cnblogs.com/lifexy/p/7097695.html