ARM9(2440)对nand flash的读写操作

 nandflash在对大容量的数据存储中发挥着重要的作用。相对于norflash，它具有一些优势，但它的一个劣势是很容易产生坏块，因此在使用nandflash时，往往要利用校验算法发现坏块并标注出来，以便以后不再使用该坏块。nandflash没有地址或数据总线，如果是8位nandflash，那么它只有8个IO口，这8个IO口用于传输命令、地址和数据。nandflash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。

       三星公司是最主要的nandflash供应商，因此在它所开发的各类处理器中，实现对nandflash的支持就不足为奇了。s3c2440不仅具有nandflash的接口，而且还可以利用某些机制实现直接从nandflash启动并运行程序。本文只介绍如何对nandflash实现读、写、擦除等基本操作，不涉及nandflash启动程序的问题。

       在这里，我们使用的nandflash为K9F2G08U0A，它是8位的nandflash。不同型号的nandflash的操作会有所不同，但硬件引脚基本相同，这给产品的开发扩展带来了便利。因为不同型号的PCB板是一样的，只要更新一下软件就可以使用不同容量大小的nandflash。

      K9F2G08U0A的一页为（2K＋64）字节（加号前面的2K表示的是main区容量，加号后面的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）。要实现用8个IO口来要访问这么大的容量，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。

 （2的12次方是4096，并不是2048，这是为什么？个人理解：为了兼容以后更大的NAND，NAND的地址序列可以把“列地址的长度”预留出来，虽说送的是A0-A7，A8-A11，实际取得是A0-A7，A8-A10；（页内地址空间））··········一共是2048*64=131072页，2的17次方

         由于所有的命令、地址和数据全部从8位IO口传输，所以nandflash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。下面的宏定义为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

在这里，随意读命令和随意写命令可以实现在一页内任意地址地读写。读状态命令可以实现读取设备内的状态寄存器，通过该命令可以获知写操作或擦除操作是否完成（判断第6位），以及是否成功完成（判断第0位）。

引脚配置：

OM[1:0] = 00: Enable NAND flash memory boot
NCON : NAND flash memory selection(Normal / Advance)
0: Normal NAND flash(256Words/512Bytes page size, 3/4 address cycle)
1: Advance NAND flash(1KWords/2KBytes page size, 4/5 address cycle)
GPG13 : NAND flash memory page capacitance selection
0: Page=256Words(NCON = 0) or Page=1KWords(NCON = 1)
1: Page=512Bytes(NCON = 0) or Page=2KBytes(NCON = 1)
GPG14: NAND flash memory address cycle selection
0: 3 address cycle(NCON = 0) or 4 address cycle(NCON = 1)
1: 4 address cycle(NCON = 0) or 5 address cycle(NCON = 1)

（注：GPG13 GPG14 read only）
GPG15 : NAND flash memory bus width selection
0: 8-bit bus width
1: 16-bit bus width

     与s3c2440的硬件连接：

       下面介绍s3c2440的nandflash控制器。s3c2440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nandflash，这些配置是通过系统上电后相应引脚的高低电平来实现的。s3c2440还可以硬件产生ECC校验码，这为准确及时发现nandflash的坏块带来了方便。nandflash控制器的主要寄存器有NFCONF（nandflash配置寄存器），NFCONT（nandflash控制寄存器），NFCMMD（nandflash命令集寄存器），NFADDR（nandflash地址集寄存器），NFDATA（nandflash数据寄存器），NFMECCD0/1（nandflash的main区ECC寄存器），NFSECCD（nandflash的spare区ECC寄存器），NFSTAT（nandflash操作状态寄存器），NFESTAT0/1（nandflash的ECC状态寄存器），NFMECC0/1（nandflash用于数据的ECC寄存器），以及NFSECC（nandflash用于IO的ECC寄存器）。

       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

其中rNFDATA8的定义为(*(volatile unsigned char *)0x4E000010)         //0x4E000010此地址是NFDATA寄存器的地址

       NFCONF主要用到了TACLS、TWRPH0、TWRPH1，这三个变量用于配置nandflash的时序。s3c2440的数据手册没有详细说明这三个变量的具体含义，但通过它所给出的时序图，我们可以看出，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（本文程序中的HCLK=100MHz）。通过查阅K9F2G08U0A的数据手册，我们可以找到并计算该nandflash与s3c2440相对应的时序：K9F2G08U0A中的tWP与TWRPH0相对应，tCLH与TWRPH1相对应，（tCLS－tWP）与TACLS相对应。K9F2G08U0A给出的都是最小时间，s3c2440只要满足它的最小时间即可，因此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。

NFCONF的第0位表示的是外接的nandflash是8位IO还是16位IO，这里当然要选择8位的IO。NFCONT寄存器是另一个需要事先初始化的寄存器。它的第13位和第12位用于锁定配置，第8位到第10位用于nandflash的中断，第4位到第6位用于ECC的配置，第1位用于nandflash芯片的选取，第0位用于nandflash控制器的使能。另外，为了初始化nandflash，还需要配置GPACON寄存器，使它的第17位到第22位与nandflash芯片的控制引脚相对应。下面的程序实现了初始化nandflash控制器：

void NF_Init ( void )

{

rGPACON = (rGPACON &~(0x3f<<17)) | (0x3f<<17);            //配置芯片引脚

//TACLS=1、TWRPH0=2、TWRPH1=0，8位IO，

rNFCONF = (TACLS<<12)|(TWRPH0<<8)|(TWRPH1<<4)|(0<<0);

//非锁定，屏蔽nandflash中断，初始化ECC及锁定main区和spare区ECC，使能nandflash片选及控制器

       rNFCONT = (0<<13)|(0<<12)|(0<<10)|(0<<9)|(0<<8)|(1<<6)|(1<<5)|(1<<4)|(1<<1)|(1<<0);

}

       为了更好地应用ECC和使能nandflash片选，我们还需要一些宏定义：

#define NF_nFCE_L()                        {rNFCONT &= ~(1<<1); }

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

#define NF_nFCE_H()                       {rNFCONT |= (1<<1); }

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

#define NF_RSTECC()                       {rNFCONT |= (1<<4); }                     //复位ECC

#define NF_MECC_UnLock()             {rNFCONT &= ~(1<<5); }          //解锁main区ECC

#define NF_MECC_Lock()                 {rNFCONT |= (1<<5); }                     //锁定main区ECC

#define NF_SECC_UnLock()                     {rNFCONT &= ~(1<<6); }          //解锁spare区ECC

#define NF_SECC_Lock()                  {rNFCONT |= (1<<6); }                     //锁定spare区ECC

       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<<0)));}           //等待nandflash不忙

#define NF_CLEAR_RB()           {rNFSTAT |= (1<<2); }                      //清除RnB信号

#define NF_DETECT_RB()         {while(!(rNFSTAT&(1<<2)));}           //等待RnB信号变高，即不忙

       下面就详细介绍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。

       复位操作最简单，只需写入复位命令即可：

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操作首先需要写入读ID命令，然后再写入0x00地址，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，这里就不多介绍：

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

       //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。

在上文中我们已经介绍过，nandflash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即可以产生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，已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。

下面就给出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();                           //打开nandflash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

       //读取一页数据内容

       for (i = 0; i < 2048; i++)

       {

              buffer[i] =  NF_RDDATA8();

       }

       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)<<8)|(mecc0&0xff);

       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)<<8)|(secc&0xff);

       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

       //写入一页数据

       for (i = 0; i < 2048; 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<4;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<6;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nandflash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

}