NAND Flash的驱动程序设计方案

2012-04-03 09:46:03来源: 互联网

NAND Flash的驱动程序设计方案

以三星公司K9F2808UOB为例,设计了NAND Flash与S3C2410的接口电路,介绍了NAND Flash在ARM嵌入式系统中的设计与实现方法,并在UBoot上进行了验证。所设计的驱动易于移植,可简化嵌入式系统开发。

关键词  ARM  UBoot  NAND Flash  K9F2808UOB  驱动程序

引言

  当前各类嵌入式系统开发设计中,存储模块设计是不可或缺的重要方面。NOR和 NAND是目前市场上两种主要的非易失闪存技术。NOR Flash存储器的容量较小、写入速度较慢,但因其随机读取速度快,因此在嵌入式系统中,常用于程序代码的存储。与NOR相比,NAND闪存的优点是容量大,但其速度较慢,因为它的I/O端口只有8或16个,要完成地址和数据的传输就必须让这些信号轮流传送。NAND型Flash具有极高的单元密度,容量可以比较大,价格相对便宜。

  本文以三星公司的 K9F2808UOB芯片为例,介绍了NAND Flash的接口电路与驱动的设计方法。文中介绍了开发NAND Flash驱动基本原理,意在简化嵌入式系统开发过程。

1  NAND Flash工作原理

  S3C2410板的NAND Flash支持由两部分组成:集成在S3C2410 CPU上的NAND Flash控制器
和NAND Flash存储芯片。要访问NAND Flash中的数据,必须通过NAND Flash控制器发送命令才能完成。所以, NAND Flash相当于S3C2410的一个外设,并不位于它的内存地址区。

1.1  芯片内部存储布局及存储操作特点

  一片NAND Flash为一个设备, 其数据存储分层为:1设备=4 096块;1块=32页;1页=528字节=数据块大小(512字节)+OOB块大小(16字节)。在每一页中,最后16字节(又称OOB,Out?of?Band)用于NAND Flash命令执行完后设置状态用,剩余512字节又分为前半部分和后半部分。可以通过NAND Flash命令00h/01h/50h分别对前半部、后半部、OOB进行定位,通过NAND Flash内置的指针指向各自的首地址。

  存储操作特点有: 擦除操作的最小单位是块;NAND Flash芯片每一位只能从1变为0,而不能从0变为1,所以在对其进行写入操作之前一定要将相应块擦除(擦除即是将相应块的位全部变为1);OOB部分的第6字节(即517字节)标志是否是坏块,值为FF时不是坏块,否则为坏块。除OOB第6字节外,通常至少把OOB的前3字节用来存放NAND Flash硬件ECC码。

1.2  NAND Flash接口电路

  首先介绍开发板的硬件设计,图1为NAND Flash接口电路。其中开关SW的1、2连接时R/B表示准备好/忙,2、3连接时nWAIT可用于增加读/写访问的额外等待周期。在S3C2410处理器中已经集成了NAND Flash控制器,图2为微控制器与NAND Flash连接的方式。

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图1  NAND Flash接口电路

1.3  控制器工作原理

  NAND Flash控制器在其专用寄存器区(SFR)地址空间中映射有属于自己的特殊功能寄存器,就是通过将NAND Flash芯片的内设命令写到其特殊功能寄存器中,从而实现对NAND Flash芯片读、检验和编程控制。特殊功能寄存器有:NFCONF、NFCMD、NFADDR、NFDATA、NFSTAT、NFECC。

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图2  NAND Flash与S3C2410连接电路

2  Flash烧写程序原理及结构

  基本原理:将在SDRAM中的一段存储区域中的数据写到NAND Flash存储空间中。烧写程序在纵向上分三层完成。第一层: 主烧写函数,将SDRAM中一段存储区域的数据写到NAND Flash存储空间中。第二层: 该层提供对NAND Flash进行操作的页读、写及块擦除等函数。第三层:为第二层提供具体NAND Flash控制器中对特殊功能寄存器进行操作的核心函数,该层也是真正将数据在SDRAM和NAND Flash之间实现传送的函数。其中第二层为驱动程序的设计关键所在,下面对该层的读、写(又称编程)、擦除功能编码进行详细介绍。

2.1  NAND Flash Read

  功能:读数据操作以页为单位,读数据时首先写入读数据命令00H,然后输入要读取页的地址,接着从数据寄存器中读取数据,最后进行ECC校验。

  参数说明:block,块号;page,页号;buffer,指向将要读取到内存中的起始位置;返回值1,读成功,返回值0:读失败。

static int NF_ReadPage(unsigned int block, unsigned int page, unsigned char *buffer){
  NF_RSTECC(); /* 初始化 ECC */
  NF_nFCE_L(); /* 片选NAND Flash芯片*/
  NF_CMD(0x00); /* 从A区开始读 *//* A0~A7(列地址) */
  NF_ADDR(0); /* A9A16(页地址) */
  NF_ADDR(blockPage&0xff); /* A17A24,(页地址) */
  NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff);/* A25, (页地址) */
  NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);/* 等待NAND Flash处于再准备状态 */
  ReadPage();/* 读整个页, 512字节 */
  ReadECC();/* 读取ECC码 */
  ReadOOB();/* 读取该页的OOB块 *//* 取消NAND Flash 选中*/
  NF_nFCE_H();/* 校验ECC码, 并返回 */
  Return (checkEcc())}

2.2  NAND Flash Program

  功能:对页进行编程命令, 用于写操作。

  命令代码:首先写入00h(A区)/01h(B区)/05h(C区), 表示写入那个区; 再写入80h开始编程模式(写入模式),接下来写入地址和数据; 最后写入10h表示编程结束。图3为程序流程图。

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图3  写程序流程

  参数说明:block,块号;page,页号;buffer,指向内存中待写入NAND Flash中的数据起始位置;返回值0,写错误,返回值1,写成功。

static int NF_WritePage(unsigned int block, unsigned int page, unsigned char *buffer){
  NF_RSTECC(); /* 初始化 ECC */
  NF_nFCE_L(); /* 片选NAND Flash芯片*/
  NF_CMD(0x0); /* 从A区开始写 */
  NF_CMD(0x80); /* 写第一条命令 *//* A0~A7(列地址) */
  NF_ADDR(0);/* A9A16(页地址) */
  NF_ADDR(blockPage&0xff);/* A17A24(页地址) */
  NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff); /* A25(页地址) */
  NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);/* 写页为512B到NAND Flash芯片 */
  WRDATA(); /*OOB一共16字节,每一个字节存放什么由程序员自己定义, 在Byte0 Byte2存ECC检验码,Byte6 存放坏块标志*/
  WRDATA(); /* 写该页的OOB数据块 */
  CMD(0x10); /* 结束写命令 */
  WAITRB();/* 等待NAND Flash处于准备状态 *//* 发送读状态命令给NAND Flash */
  CMD(0x70);
  if (RDDATA()&0x1) { /*如果写有错, 则标示为坏块,取消NAND Flash 选中*/
  MarkBadBlock(block);
  return 0;
  } else { /* 正常退出, 取消NAND Flash 选中*/
  return 1;}

2.3  NAND Flash Erase

  功能:块擦除命令。

  命令代码:首先写入60h进入擦写模式,然后输入块地址,接下来写入D0h, 表示擦写结束。

  参数说明:block,块号;返回值0,擦除错误(若是坏块直接返回0;若擦除出现错误则标记为坏块然后返回0),返回值1,成功擦除。

static int NF_EraseBlock(unsigned int block){/* 如果该块是坏块, 则返回 */
  if(NF_IsBadBlock(block)) return 0;
  NF_nFCE_L(); /* 片选NAND Flash芯片*/
  NF_CMD(0x60); /* 设置擦写模式 *//* A9A16(Page Address) , 是基于块擦除*/
  NF_ADDR(blockPage&0xff);
  NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff); /* A25(Page Address) */
  NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff); NF_CMD(0xd0); WAITRB();CMD(0x70); 
  if(RDDATA()&0x1){/*如有错,标为坏块,取消Flash选中*/
  MarkBadBlock(block);
  return 0;
  } else { /* 退出, 取消Flash 选中*/
  return 1;}

3  ECC校检原理与实现

  由于NAND Flash的工艺不能保证NAND的Memory Array在其生命周期中保持性能可靠,因此在NAND的生产及使用过程中会产生坏块。为了检测数据的可靠性,在应用NAND Flash的系统中一般都会采用一定的坏区管理策略,而管理坏区的前提是能比较可靠地进行坏区检测。如果操作时序和电路稳定性不存在问题的话,NAND Flash出错的时候一般不会造成整个块或是页不能读取或全部出错,而是整个页(例如512字节)中只有一位或几位出错。对数据的校验常用的有奇偶校验、CRC校验等,而在NAND Flash处理中,一般使用一种专用的校验——ECC。ECC能纠正单位错误和检测双位错误,而且计算速度很快,但对1位以上的错误无法纠正,对2位以上的错误不保证能检测。ECC一般每256字节原始数据生成3字节ECC校验数据,这3字节共24位分成两部分:6位的列校验和16位的行校验,多余的2位置1,如表1所列。

表1  校检数据组成
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  首先介绍ECC的列校检。ECC的列校验和生成规则如图4所示,“^”表示“位异或”操作。由于篇幅关系,行校检不作介绍,感兴趣的读者可以参考芯片datasheet,在三星公司网站可以免费下载。

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图4  列校验和生成规则

  数学表达式为:

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  当向NAND Flash的页中写入数据时,每256字节生成一个ECC校验和,称之为原ECC校验和,保存到页的OOB数据区中。当从NAND Flash中读取数据时,每256字节生成一个ECC校验和,称之为新ECC校验和。校验的时候,根据上述ECC生成原理不难推断:将从OOB区中读出的原ECC校验和与新ECC校验和按位异或,若结果为0,则表示无错(或者出现了 ECC无法检测的错误);若3字节异或结果中存在11位为1,表示存在一个位错误,且可纠正;若3个字节异或结果中只存在1位为1,表示 OOB区出错;其他情况均表示出现了无法纠正的错误。

4  UBOOT下功能验证

实现UBOOT对NAND Flash的支持主要是在命令行下实现对NAND Flash的操作。对NAND Flash实现的命令为:nand info、nand device、nand read、nand write、nand erease、nand bad。用到的主要数据结构有:struct nan

[1] [2]

关键字:设计方案

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0403/article_15584.html
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