对S3C2440读取NAND Flash的总结

S3C2440 板的Nand Flash 支持由两部分组成：Nand Flash 控制器(集成在S3C2440 CPU)和Nand Flash 存储芯片(K9F1208U0B)两大部分组成。当要访问Nand Flash中的数据时,必须通过Nand Flash控制器发送命令才能完成。所以, Nand Flash相当于S3C2440的一个外设,而不位于它的内存地址区. 

NAND Flash 的数据是以bit 的方式保存在memory cell，一般来说，一个cell 中只能存储一个bit。这些cell 以8 个或者16 个为单位，连成bit line，形成所谓的byte(x8)/word(x16)，这就是NAND Device 的位宽。这些Line 会再组成Page.

1block = 32page, 1page=528byte=512byte(Main Area)+16byte(Spare Area) 

Nand flash 以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据。

按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址： 

--Block Address -- Page Address  --Column Address 

对于NAND Flash 来讲，8 个I/O 引脚充当数据、地址、命令的复用端口。地址和命令只能在I/O[7:0]上传递，数据宽度是8 位。 

512byte需要9bit来表示，对于528byte系列的NAND，这512byte被分成 1st half 和 2nd half ,最后16 个字节 （又称OOB）用于Nand Flash 命令执行完后设置状态用，各自的访问由地址指针命令来选择，A[7:0]就是所谓的column address。

32 个page 需要5bit 来表示，占用A[13:9]，即该page 在块内的相对地址。Block的地址是由A14 以上的bit 来表示，例如512Mb 的NAND，共4096block，因此，需要12 个bit 来表示，即A[25:14]，如果是1Gbit 的528byte/page的NAND Flash，则block address用A[26:14]表示。

NAND Flash 的地址表示为： 

Block Address|Page Address in block|halfpage pointer|Column Address 

地址传送顺序是Column Address,Page Address,Block Address。 

由于地址只能在I/O[7:0]上传递，因此，必须传递多次。 例如，对于512Mbit x8 的NAND flash，地址范围是0-0x3FF FFFF，只要是这个范围内的数值表示的地址都是有效的。以NAND_ADDR 为例： 第1 步是传递column address，就是NAND_ADDR[7:0]给相应的寄存器，即可传递到I/O[7:0]上，而halfpage pointer 即bit8 是由操作指令决定的，即指令决定在哪个halfpage 上进行读写。而真正的bit8 的值是don't care 的。 第2 步就是将NAND_ADDR[16:9]传到I/O[7:0]上。第3步将NAND_ADDR[24:17]放到I/O 上。第4步需要将NAND_ADDR[25]放到I/O 上 因此，整个地址传递过程需要4 步才能完成，即4-step addressing。 如果NAND Flash 的容量是256Mbit 以下，那么，block adress 最高位只到bit24，因此寻址只需要3 步。下面，就x16 （16位）的NAND flash 器件稍微进行一下说明。由于一个page 的main area 的容量为256word，仍相当于512byte。但是，这个时候没有所谓 的1st halfpage 和2nd halfpage 之分了，所以，bit8就变得没有意义了，也就是这个时候 bit8 完全不用管，地址传递仍然和x8 器件相同。除了，这一点之外，x16 的NAND使用方法和 x8 的使用方法完全相同。

正如硬盘的盘片被分为磁道，每个磁道又分为若干扇区，一块nand flash也分为若干block，每个block分为如干page。一般而言，block、page之间的关系随着芯片的不同而不同，典型的分配是这样的：
1block = 32page
1page = 512bytes(datafield) + 16bytes(oob)

需要注意的是，对于flash的读写都是以一个page开始的，但是在读写之前必须进行flash的擦写，而擦写则是以一个block为单位的。同时必须提醒的是，512bytes理论上被分为1st half 和2sd half，每个half各占256个字节。

我们讨论的K9F1208U0B总共有4096 个Blocks，故我们可以知道这块flash的容量为4096 *(32 *528)= 69206016 Bytes = 66 MB 。但事实上每个Page上的最后16Bytes是用于存贮检验码和其他信息用的，并不能存放实际的数据，所以实际上我们可以操作的芯片容量为4096 *(32 *512) = 67108864 Bytes = 64 MB。

由上图所示，1个Page总共由528 Bytes组成，这528个字节按顺序由上而下以列为单位进行排列（1列代表一个Byte。第0行为第0 Byte ，第1行为第1 Byte，以此类推，每个行又由8个位组成，每个位表示1个Byte里面的1bit）。这528Bytes按功能分为两大部分，分别是Data Field和Spare Field，其中Spare Field占528Bytes里的16Bytes,这16Bytes是用于在读写操作的时候存放校验码用的，一般不用做普通数据的存储区，除去这 16Bytes,剩下的512Bytes便是我们用于存放数据用的Data Field，所以一个Page上虽然有528个Bytes，但我们只按512Bytes进行容量的计算。

读命令有两个，分别是 Read1,Read2其中Read1用于读取Data Field的数据，而Read2则是用于读取Spare Field的数据。对于Nand Flash来说，读操作的最小操作单位为Page，也就是说当我们给定了读取的起始位置后，读操作将从该位置开始，连续读取到本Page的最后一个 Byte为止（可以包括Spare Field）

Nand Flash的寻址
    Nand Flash的地址寄存器把一个完整的Nand Flash地址分解成Column Address与Page Address.进行寻址。

Column Address: 列地址。Column Address其实就是指定Page上的某个Byte，指定这个Byte其实也就是指定此页的读写起始地址。

Paage Address：页地址。由于页地址总是以512Bytes对齐的，所以它的低9位总是0。确定读写操作是在Flash上的哪个页进行的。

Read1命令

当我们得到一个Nand Flash地址addr时我们可以这样分解出Column Address和Page Address
column_addr=src_addrQ2;    // column address
page_address=(src_addr>>9);  // page address

也可以这么认为，一个Nand Flash地址的src_addr[7,0]是它的column_addr，addr[25,9]是它的Page Address。(注意地址位src_addr[8]并没有出现，也就是addr[8] 被忽略，在下面你将了解到这是什么原因)

Read1 命令的操作发送完读命令00h或01h（00h与01h的区别请见下文描述）之后将分4个Cycle发送参数，1st.Cycle是发送Column Address。2nd.Cycle ,3rd.Cycle和4th.Cycle则是指定Page Address（每次向地址寄存器发送的数据只能是8位，所以17位的Page Address必须分成3次进行发送。

Read1的 命令里面出现了两个命令选项，分别是00h和01h。这里出现了两个读命是否令你意识到什么呢？是的，00h是用于读写1st half的命令，而01h是用于读取2nd half的命令。现在我可以结合上图给你说明为什么K9F1208U0B的DataField被分为2个half了。

如上文我所提及的，Read1的1st.Cycle是发送Column Address，假设我现在指定的Column Address是0，那么读操作将从此页的第0号Byte开始一直读取到此页的最后一个Byte(包括Spare Field)，如果我指定的Column Address是127，情况也与前面一样，但不知道你发现没有，用于传递Column Address的数据线有8条（I/O0-I/O7，对应addr[7,0]，这也是addr[8]为什么不出现在我们传递的地址位中），也就是说我们能够指定的 Column Address范围为0-255，但不要忘了，1个Page的Data Field是由512个Byte组成的，假设现在我要指定读命令从第256个字节处开始读取此页，那将会发生什么情景？我必须把Column Address设置为256，但Column Address最大只能是255，这就造成数据溢出。正是因为这个原因我们才把Data Field分为两个半区，当要读取的起始地址（Column Address）在0-255内时我们用00h命令，当读取的起始地址是在256-511时，则使用01h命令.假设现在我要指定从第256个byte开始读取此页，那么我将这样发送命令串。
column_addr=256;
NF_CMD=0x01;                          从2nd half开始读取
NF_ADDR=column_addr&0xff;             1st Cycle
NF_ADDR=page_address&0xff;            2nd.Cycle
NF_ADDR=(page_address>>8)&0xff;       3rd.Cycle
NF_ADDR=(page_address>>16)&0xff;      4th.Cycle

NF_CMD=0x30;

事实上，当NF_CMD=0x01时，NAND Flash 地址寄存器中的第8位（A8）将被设置为1（如上文分析，A8位不在我们传递的地址中，这个位其实就是硬件电路根据 01h或是00h这两个命令来置高位或是置低位），这样我们传递column_addr的值256随然由于数据溢出变为1，但A8位已经由于NF_CMD =0x01的关系被置为1了。这8个位所表示的正好是256，这样读操作将从此页的第256号byte（2nd half的第0号byte）开始读取数据。 

在对NAND Flash进行任何操作之前，NAND Flash 必须被初始化。向NandFlash的命令寄存器和地址寄存器发送完以上命令和参数之后,我们就可以从rNFDATA寄存器(NandFlash数据寄存器)读取数据了.
我用下面的代码进行数据的读取.
for(i=column_addr;i<512;i++)
{
        *buf++=NF_RDDATA();
}

每当读取完一个Page之后,数据指针会落在下一个Page的0号Column(0号Byte).

存储操作特点： 
1. 擦除操作的最小单位是块。 
2. Nand Flash 芯片每一位(bit)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要一定将相应块擦除(擦除即是将相应块得位全部变为 1). 
3. OOB 部分的第六字节(即517 字节)标志是否是坏块，如果不是坏块该值为FF ，否则为坏块。 
4. 除OOB 第六字节外，通常至少把OOB 的前3 个字节存放Nand Flash 硬件ECC 码(关于硬件ECC 码请参看 Nandflash 控制器一节). 

重要芯片引脚功能 
    I/O0-I/O7：复用引脚。可以通过它向nand flash 芯片输入数据、地址、nand flash 命令以及输出数据和操作状态信息。 
    CLE(Command Latch Enable):  命令锁存允许 
    ALE(Address Lactch Enable): 地址锁存允许 
    -CE: 芯片选择     
    -RE: 读允许 
    -WE: 写允许 
    -WP: 在写或擦除期间，提供写保护 
    R/-B: 读/忙输出 

 
Nand Flash 控制器中的硬件 ECC 介绍 

ECC产生方法    

ECC 是用于对存储器之间传送数据正确进行校验的一种算法，分硬件ECC 和软件ECC 算法两种，在S3C2440 的Nand Flash 控制器中实现了由硬件电路 （ECC 生成器）实现的硬件ECC 。 

ECC生成器工作过程 
   当写入数据到Nand flash 存储空间时， ECC 生成器会在写入数据完毕后自动生成ECC 码，将其放入到ECC0－ECC2 。当读出数据时Nand Flash 同样会在读数据完毕后，自动生成ECC码将其放到ECC0－ECC2 当中。 

ECC 的运用 

当写入数据时，可以在每页写完数据后将产生的ECC 码放入到OOB 指定的位置(Byte 6)去，这样就完成了ECC 码的存储。这样当读出该页数据时，将所需数据以及整个OOB 读出，然后将指定位置的ECC 码与读出数据后在ECC0 －ECC1 的实际产生的ECC 码进行对比，如果相等则读出正确，若不相等则读取错误需要进行重读。

　　操作命令字介绍

操作NAND　FLASH时，先传输命令，接着输出地址，最后读/写数据，期间还要检查FLASH的状态。具体的命令字见下表。

　　1、Read命令字为00h，30h。

　　如上图，当发出00h命令后，接着4个字节的地址序列，然后再发出30h命令，接着，就可以读出数据了，当发送完30h后，可以检测R/B引脚看是否准备好了，如果准备好，就可以读出数据。

　　2、Reset

　　命令字：FFh

　　当向芯片发送FFh命令时，可以复位芯片，如果芯片正在处于读、写、擦除状态，复位命令会终止这些命令。

3、Page Program

　　命令字：80h，10h.

　　NAND　FLASH的写操作一般是以页为单位进行的，因此才会叫Page Program，但是也支持一个字以上的（包括一个字）连续写操作。开始发出80h命令，接着发送5个字节的地址序列，然后向FLASH发送数据，最大为一页大小，最后发送10h命令启动烧写，此时FLASH内部会自动完成写、校验操作。发送10h后，可以通过读状态命令70h（见下文）获知写操作是否完成，是否成功。

4、Copy-Back Program

　　命令字：00h、8Ah、10h.

　　此命令用于将一页复制到同一层的另外一页，它省去了读出数据、将数据重新载入FLASH的过程，使得效率大大提高。

　　关于层：NAND　FLASH有层的概念，K9F2G08分为两层，每层包括了1024个块，如下图，因此上面的命令表中才会有two-plane的命令，这些命令可以使得在两个层间完成操作，这样程序员就很方便的使用一个命令完成更多的操作，其命令格式和单层操作的类似，详见手册。但K9F2G08R0A不支持两层命令。

　　上图清晰的告诉我们，开始发送00h和源地址，当发送35h之后，芯片将一页大小的数据读入到内部寄存器，接着，我们发送85h和目的地址序列，最后发送10h启动。最后，我们可以使用70h/7Bh检测是否完成，是否成功。

　　5、Block Erase

　　命令字：60h、D0h

　　擦除操作是以块为单位的，也就是128K。开始发出60h，然后发出3个地址序列仅行地址，最好发出D0h。具体操作，如下图。

　　6、Read　Status

　　  命令字：70h

　　  读状态命令可以读出芯片的状态寄存器，查看是否读、写操作是否完成、是否成功。具体的状态见下图。

　　S3C2440的NAND　FLASH控制器介绍

　　看了上面的命令时序图，大家肯定认为对NAND　FLASH的操作比较复杂，因此S3C2440为了简化操作，为我们提供了几个寄存器，比如NFCMD寄存器，就是NAND　FLASH命令寄存器，如果我们需要读命令，直接向此寄存器写00h、30h即可。

　　基本操作步骤：

　　1.设置NFCONF和NFCONT寄存器，配置NAND　FLASH；

　　2.向NFCMD寄存器写入命令；

　　3.向NFADDR寄存器写入地址；

　　4.读/写数据，通过NFSTAT检测NAND　FLASH的状态，读R/nB信号以确定是否完成操作，是否成功。

　　主要寄存器：

　　(NFCONF) 

　　配置寄存器，设置NAND　FLASH的时序参考TACLS、TWRPH0、TWRPH1，这三个参数见下面时序图；设置位宽度；还包括一些只读位，用来批示是否支持其它大小的页。

　　TACLS：表示CLT/ALE的建立时间(setup time)。

　　TWRPH0：表示CLE/ALE的持续时间。

　　TWRPH1：表示CLE/ALE的维持时间(hold time)。

NFCONT

　　用来使能/禁止NAND　FLASH控制器、使能/禁止控制引脚信号nFCE、初始化ECC。

　　NFCMD

　　命令寄存器，用来向其写入命令。

　　NFADDR

　　地址寄存器，用来向其写入地址。

　　NFDATA

　　数据寄存器，用来读、写数据使用，只用到8位。

　　NFSTAT

　　状态寄存器，只用到一位，0：busy；1：ready。

　　 NFECC

　　校验寄存器，ECC 校验寄存器 

　　NAND　FLASH的操作（以读为例） 

　　1、设置NFCONF和NFCONT

　　NFCONF主要是设置TACLS、TWRPH0、TWRPH1三个时间参数。根据手册的参数表，见下图：

　　三个参数只有最小值　MIN，没有最大值，因此，只要参数大于表格中的数即可，这里涉及时钟的一些概念，这里直接将参数告诉大家：

　　TACLS=1；TWRPH0=4；TWRPH1=0。

　　NFCONT设置为：NFCONT=（1<<4）|（1<<1）|（1<<0）　表示使能NAND　FLASH控制器、禁止控制引脚信号nFCE、初始化ECC。