嵌入式系統中Nand-Flash的原理及應用

    當前各類嵌入式系統開發設計中，存儲模塊是不可或缺的重要方面。NOR和NAND是目前市場上兩種主要的非易失快閃記憶體技術。Nor-flash存儲器的容量較小、寫入速度較慢，但因其隨機讀取速度快，因此在嵌入式系統中，常應用在程序代碼的存儲中。Nor-flash存儲器的內部結構決定它不適合朝大容量發展;而Nand-flash存儲器結構則能提供極高的單元密度，可以達到很大的存儲容量，並且寫入和擦除的速度也很快。
    Nand-flash存儲器是flash存儲器的-種，其內部採用非線性宏單元模式，為固態大容量存儲器的實現提供了廉價有效的解決方案。Nand-flash存儲器具有容量較大，改寫速度快，適用於大量資料的存儲，因而在業界得到了越來越廣泛的應用，如嵌入式產品中包括數碼相機、MP3隨身聽記憶卡、體積小巧的U盤等。
    本文以三星公司的K9F1208UOB晶元為例，介紹Nand-flash存儲器晶元的讀寫流程和時序。

1 Nand-Flash存儲器的工作原理
1.1 Nand-Flash存儲器的組成結構及指令集
    K9F1208UOB的容量為64Mb，存儲空間按128K個頁(行)、每頁中528個位元組(列)的組成方式構成。備用的16列，位於列地址的512-527。K9F1208UOB還將存儲空間分為塊(block)，每1塊由32個頁構成。因此K9F1208UOB中一共有4096個塊。這種“塊-頁”結構，恰好能滿足文件系統中劃分簇和扇區的結構要求。K9F1208UOB的內部結構如圖1所示。
 
圖1 K9F1208UOB的內部結構
    K9F1208UOB的讀和寫都以頁為單位，擦除則以塊為單位進行操作。
    K9F1208UOB的地址通過8位埠傳送，有效地節省了引腳的數量，並能夠保持不同密度器件引腳的一致性，系統可以在電路不作改動的情況下升級為高容量存儲器件。
    K9F1208UOB通過CLE和ALE信號線實現I/O口上指令和地址的復用。指令、地址和數據都通過拉低WE和CE從I/O口寫入器件中。有一些指令只需要一個匯流排周期完成，例如，複位指令、讀指令和狀態讀指令等;另外一些指令，例如頁寫入和塊擦除，則需要2個周期，其中一個周期用來啟動，而另一個周期用來執行。

1.2 Nand-Flash操作
1.2.1 頁讀操作
    在初始上電時，器件進入預設的“讀方式1模式”。在這一模式下，頁讀操作通過將00h指令寫入指令寄存器，接著寫入3個地址(1個列地址，2個行地址)來啟動。一旦頁讀指令被器件鎖存，下面的頁讀操作就不需要再重複寫入指令了。
    寫入指令和地址后，處理器可以通過對信號線R/B的分析來判斷該操作是否完成。如果信號為低電平，表示器件正“忙”;為高電平，說明器件內部操作完成，要讀取的數據被送入了數據寄存器。外部控制器可以在以50ns為周期的連續RE脈衝信號的控制下，從I/O口依次讀出數據。連續頁讀操作中，輸出的數據是從指定的列地址開始，直到該頁的最後-個列地址的數據為止。

1.2.2 頁寫操作
    K9F1208UOB的寫入操作也以頁為單位。寫入必須在擦除之後，否則寫入將出錯。
    頁寫入周期總共包括3個步驟：寫入串列數據輸入指令(80h)，然後寫入3個位元組的地址信息，最後串列寫入數據。串列寫入的數據最多為528位元組，它們首先被寫入器件內的頁寄存器，接著器件進入一個內部寫入過程，將數據從頁寄存器寫入存儲宏單元。
    串列數據寫入完成後，需要寫入“頁寫入確認”指令10h，這條指令將初始化器件的內部寫入操作。如果單獨寫入10h而沒有前面的步驟，則10h不起作用。10h寫入之後，K9F1208UOB的內部寫控制器將自動執行內部寫入和校驗中必要的演算法和時序，這時系統控制器就可以去做別的事了。
    內部寫入操作開始后，器件自動進入“讀狀態寄存器”模式。在這一模式下，當RE和CE為低電平時，系統可以讀取狀態寄存器。可以通過檢測R/B的輸出，或讀狀態寄存器的狀態位(I/O 6)來判斷內部寫入是否結束。在器件進行內部寫入操作時，只有讀狀態寄存器指令和複位指令會被響應。當頁寫入操作完成，應該檢測寫狀態位(I/O 0)的電平。
    內部寫校驗只對沒有成功地寫為0的情況進行檢測。指令寄存器始終保持著讀狀態寄存器模式，直到其他有效的指令寫入指令寄存器為止。

1.2.3 塊擦除
    擦除操作是以塊為單位進行的。擦除的啟動指令為60h，塊地址的輸入通過兩個時鐘周期完成。這時只有地址位A14到A24是有效的，A9到A13則被忽略。塊地址載入之後執行擦除確認指令D0h，它用來初始化內部擦除操作。擦除確認命令還用來防止外部干擾產生擦除操作的意外情況。器件檢測到擦除確認命令輸入后，在WE的上升沿啟動內部寫控制器開始執行擦除和擦除校驗。內部擦除操作完成後，檢測寫狀態位(I/O 0)，從而了解擦除操作是否有錯誤發生。

1.2.4 讀狀態寄存器
    K9F1208UOB包含一個狀態寄存器，該寄存器反應了寫入或擦除操作是否完成，或寫入和擦除操作是否無錯。寫入70h指令，啟動讀狀態寄存器周期。狀態寄存器的內容將在CE或RE的下降沿處送出至I/O埠。
    器件一旦接收到讀狀態寄存器的指令，它就將保持狀態寄存器在讀狀態，直到有其他的指令輸入。因此，如果在任意讀操作中採用了狀態寄存器瀆操作，則在連續頁讀的過程中，必須重發00h或50h指令。

1.2.5 讀器件ID
    K9F1208UOB器件具有一個產品鑒定識別碼(ID)，系統控制器可以讀出這個ID，從而起到識別器件的作用。讀ID的步驟是：寫入90h指令，然後寫入一個地址00h。在兩個讀周期下，廠商代碼和器件代碼將被連續輸出至I/O口。
    同樣，一旦進入這種命令模式，器件將保持這種命令狀態，直到接收到其他的指令為止。

1.2.6 複位
    器件提供一個複位(RESET)指令，通過向指令寄存器寫入FFh來完成對器件的複位。當器件處於任意讀模式、寫入或擦除模式的忙狀態時，發送複位指令可以使器件中止當前的操作，正在被修改的存儲器宏單元的內容不再有效，指令寄存器被清零並等待下一條指令的到來。當WP為高時，狀態寄存器被清為C0h。

2 系統硬體連線及軟體設計
2.1硬體連線
    K9F1208UOB和S3C2440A的介面電路如圖2所示。
 
圖2 K9F1208UOB與S3C2440A硬體電路
2.2 軟體設計
步驟1：Nand-Flash初始化
    利用ADS1.2等工具建立工程文件nandflash_test.mcp，在Nand.c文件中Test_K9S1208子函數實現了主要測試功能。
gpacon = rGPACON;
rGPACON=(rGPACON &~(0x3f<<17))|(0x3f<<17);
首先備份rGPACON的內容，再設置GPA17-22的工作方式。然後調用Nand-Flash初始化函數。
NF8_Init0;//初始化函數
初始化函數的實現源碼如下：
rNFCONF=(TACLS<<12)|(TWRPH0<<8)I(TWRPH1<<4)|(0<<0)：
rNFCONT=(0<<13)|(0<<12)|(0<<10)|(0<<9)|(0<<8)|(1<<6)|(1<<5)|(1<<4)|(1<<1)|(1<<0)：

步驟2：讀器件ID碼
    由於S3C2440A中沒有像支持SDRAM 一樣提供直接與Nand-flash存儲器的介面，讀寫的過程要靠軟體編程來完成。初始化Nand-Flash后，就可以對Nand-Flash進行操作了。
程序調用NF8_Print_Id()子函數讀出器件ID碼。
id=NF8_CheckId(); //繼續調用子函數
device=(U8)id;
maker=(U8)(id>>8)：
Uart_Printf("Maker:%x,Device:%x ",maker,device);
NF8_Print_Id()源碼如下：
NF_CMD(0x90);//寫入90h指令
NF_ADDR(0x0);//寫入地址00h
for(i=0;i<10;i++);
Uart_Printf("NFSTAT:0x%x ",rNFSTAT);
id=NF_RDDATA8()<<8;//Maker code 0xec讀出ID值
id |=NF_RDDATA8();
//Devide code(K9S1208V:0x76)，(K9K2G16U0M:0xca)

步驟3：頁讀寫程序
    本實驗實現了某頁的寫及讀出驗證功能。Test_NFS_Rw子函數實現這一功能。
    程序首先初始化要寫入的數據，*dstPt是要讀出驗證的數據，先填0;*srcPt是要寫入的數據，先用隨機數填滿。
for(i=0;i<512;i++) *dstPt++=0x0;//填0
for(i=0;i<512;i++){
#if ADS10==TRUE
if(offset==-1) *srcPt++=rand()%0xff;//隨機數填滿
#else
if(offset==-1) srcPt++ =i%0xf;
#endif
else *srcPt++=i+offset;
}
寫之前先進行擦除工作：
if(NF8_EraseBIock(block)==FAIL) return;
然後進行頁寫入操作：
if(NF8_WritePage(block,page,srcPt)==FAIL) return;
將用隨機數填滿的srcPt指向的數據寫入到指定的頁中。寫入之後再讀出驗證：
if(NF8_ReadPage(block,page,dstPt)==FAIL) return;
Uart_Printf("Checking data. ");
for(error=0,i=0;i<512;i++){
if(*srcPt++!=*dstPt++){//比較操作
Uart_Printf("Error:%d[W:%x,R:%x] ",i,*srcPt,*dstPt);
error++;
}
}
if(error!=0)
{Uart_Printf("Fail to R/W test(%d). ",error);
return(2);
}
else
{Uart_Printf("R/W test OK. ");
return(1);
}
    其中NF8_ReadPage(block,page,dstPt)將讀出的數據放入dstPt指向的地址空間里。最後將寫入的數據和讀出的數據比較，列印驗證信息。

步驟4：編譯工程
    所有的函數都實現以後，通過ADS1.2進行編澤，生成可執行文件。在工程文件夾" andflash_testaandflash_test_DatakDebugRel"下，可以看到nandflash_test.bin可執行文件。

步驟5：下載程序運行
    將串口線與硬體開發系統板串口和開發PC機的COM1連接好(主要用於回顯)，用USB線和開發PC 機的USB口相連后(主要用於數據的下載)，打開DNW 軟體，將串口設置為COM1，比特率設置為115200，USB下載地址設為0x30000000。
    使用DNW 將前面生成的可執行文件下載到內存中去運行。

3 結束語
    本文主要討論了Nand-flash存儲器晶元的工作原理以及以三星公司基於ARM公司的ARM920T處理器核S3C2440A為平台舉了一個測試實例，讓讀者對整個存儲系統的軟硬體設計過程有了一個較為全面的了解，便於在其它嵌入式系統設計中運用。