Nandflash 驱动深度分析（基于S3C2410）

NAND Flash在嵌入式系统中的地位与PC机上的硬盘类似，用于保存系统运行所必需的操作系统、应用程序、用户数据、运行过程中产生的各类数据。与内存掉电后数据丢失不同，NAND Flash中的数据在掉电后仍可永久保存。

操作NAND Flash时，先传输命令，然后传输地址，最后读/写数据，期间要检查Flash的状态。对于K9F5608U0D，它的容量为32MB，需要25位地址。发出命令后，后面要紧跟3个地址序列。比如读Flash时，发出读命令和3个地址序列后，后续的读操作就可以得到这个地址及其后续地址的数据。相应的命令字和地址序列如表1和2所示：

表1：K9F5608U0D命令设置表

表2：K9F5608U0D寻址周期表

K9F5608U0D一页的大小为512字节，分为两部分：前半页，后半页。由于列地址只有8根数据线，所以寻址宽度只有256个字节。而在这512个字节的一页中，当发出读命令为00h时，表示列地址将在前半部分寻址，命令为01h时，表示列地址将在后半部分寻址。A8被读命令00h设置为低电平，而在01时设置成高电平。

S3C2410对NAND Flash操作提供了几个寄存器来简化对NAND Flash的操作。比如要发出读命令时，只需要往NFCMD寄存器中写入0即可，而控制器会自动发出各种控制信号进行操作。以下几个寄存器，为2410专为NAND而设计的：

NFCONF：NAND Flash配置寄存器。

被用来使能/禁止NAND Flash控制器、使能/禁止控制引脚信号nFCE、初始化ECC、设置NAND Flash的时序参数等。

TACLS、TWRPH0、TWRPH1这3个参数控制的是NAND Flash信号线CLE/ALE与写控制信号n/WE的时序关系，如图1所示：

图1：S3C2410 NAND控制时序图

NFCMD：NAND Flash命令寄存器。

对于不同型号的Flash，操作命令一般不一样。

NFADDR：NAND Flash地址寄存器。

当写这个寄存器时，它将对Flash发出地址信号。

NFDATA：NAND Flash数据寄存器。

只用到低8位，读，写此寄存器将启动对NAND Flash的读数据、写数据操作。

NFSTAT：NAND Flash状态寄存器。

只用到位0，0：busy，1：ready。

在使用NAND Flash之前，需要先对NAND进行初始化：

/************************************************************************

* 名称:             init_nandconf

* 功能:             初始化2410内部nandflash控制寄存器

* 返回:             无         

************************************************************************/

void init_nandcof(void)

{

     rNFCONF=0xf820;//设置NANDFLASH，各位定义如表3所示：

表3：NFCONF寄存器

[15]：设置为1，NANDFLASH 控制器开，由datasheet得到，在自动启动后，nandflash控制器会关闭，如果要使用控制器，就要手工开。

[12]：初始化ECC寄存器，设置为1

[11]：外部NAND使能，这里设置为1，先关一下。

[10:8]：TACLS设置，由表4得，ALE和CLE要求保持10ns，而现在的HCLK为100m，所以TACLS为0就可以了。

表4：AC TIMING CHARACTERISTICS FOR COMMAND / ADDRESS / DATA INPUT

[6:4]：由表4得，twp在3.3V时需要至少25ns的时间，现在在HCLK为100M的情况下，需要3个周期，所以TWRPH0为2，

[2:0]：由表4得到，tch要求时间为10ns,所以在HCLK为100M的情况下，只要1个周期就行了，所以TWRPH1为0

     rNFCONF &= ~0x800;//NAND使能。CE低电平有效

     rNFCMD=0xff; //重启一下NAND，由表5所示，得到复位的命令

表5：NANDFLASH命令表

     while(!(rNFSTAT&0x1));//等待复位完成，由表6得，NFSTAT寄存器定义

表6：NFSTAT寄存器

}

对于NANDFLASH操作来说，一般有4种：1、读NAND ID，2、读NAND内容，3、写NANDFLASH，4、擦除NANDFLASH。以下分4个函数说明NANDFLASH的4种操作：

1、读NANDFLASH的ID

/************************************************************************

* 名称:             nand_read_id

* 功能:             读取nandflash的ID

* 输入:             无

* 返回:             id          

************************************************************************/

static int nand_read_id(void)

{

    int i，id;//i用于记录当前的，id用于记录读取的ID

    /* NAND使能 */

    rNFCONF &= ~0x800;使能//NANDFLASH

    for(i=0; i<10; i++);//等待10个周期，等待Nand准备就绪

图2：NAND读时序图

以下部分按照图2时序图而写

rNFCMD=0x90;

for(i=0;i<5;i++);//由于FCLK为200MHz，这里5个周期为25ns

查器件手册得tAR最小需要10ns，最大没有上限

id=rNFDATA;//读出NAND的制做商编号：这里三星为0xEC

id=(id<<8)+rNFDATA

    //关芯片使能，防止误操作对NAND中的数据修改

    rNFCONF |= 0x800;

    return id;//返回读取的ID

}

2、读NAND内容

/************************************************************************

* 名称:             nand_read

* 功能:             读取nandflash上一块内容到指定的地址中

* 输入:             unsigned char *buf：              要写入数据的首地址

                   unsigned long start_addr: 要读取的数据在Nand上的首地址

                   int size：                                  读取长度

* 返回:             0           

************************************************************************/

static int nand_read(unsigned char *buf, unsigned long start_addr, int size)

{

    int i, j;//i用于记录当前的，j记录每一页中的byte地址

    /* NAND使能 */

    rNFCONF &= ~0x800;//使能NANDFLASH

    for(i=0; i<10; i++);//等待10个周期

图3：NAND读时序图

以下部分按照图3时序图而写

    for(i=start_addr; i < (start_addr + size);)

    {

      /* READ0 */

      rNFCMD = 0;//由表3-4-5所示，读数据区的命令为0x0或者0x1，而对于512bytes来说，0x0是从第0个字节开始读起，而0x1是从第256个字节读起。当使用NFCMD寄存器时，控制NAND的ALE会置0，CLE会置1，数据写入时，WE也会由低变高，而当WE由低变高的过程后，命令将锁存在了NAND中的命令寄存器中，而这些都是自动的

      /* Write Address */

      //nand的写入方法见时序图，由于向2410的NAND的NFADDR寄存器写数据，此时ALE至1，CLE至0，数据写入时，WE也会由低变高，而当WE由低变高的过程后，地址数据将锁存在了NAND中的地址寄存器中，这些全是自动的，而又因为32M的NAND只需要3个周期寻址，所以这里只向地址寄存器发3个周期的命令就可以了

      rNFADDR = i & 0xff;

      rNFADDR = (i >> 9) & 0xff;//（左移9位，不是8位）

      rNFADDR = (i >> 17) & 0xff; //（左移17位，不是16位）

表3-4-2列出了在地址操作的3个步骤对应的NAND内部地址线，没有A8（它由读命令设置，当读命令为0时，A8=0；当读命令为1时，A8=1），所以在第二，第三次向rNFADDR寄存器发送地址时，需要再多移一位，而不是原来的8和16。

      wait_idle();//由时序图得到，当输入地址完成后，NANDFLASH会进入忙状态，我个人认为是NAND内部对输入的地址进行解释。

     for(j=0; j < 512; j++, i++)

      {

            *buf = (rNFDATA & 0xff);//读取NAND中的数据，将数据写入到指定的数据写入位置，当使用NFDATA寄存器时，控制NAND的CLE和ALE都会自动1。而buf指针是外面传进来的地址，在下面的函数调用会用到，每读取一次NFDATA寄存器，控制NAND的OE都会由高电平到低电平转变。而NANDFLASH的数据每读取一次，都会指向下一个内部的地址，而一个数据区由512bytes组成，当继续读下去的时候，将读到16bytes的ECC区，所以每对完512个字节后，要对nand的地址重新定位。

            buf++;//写入地址位置+1

      }

    }

    //关芯片使能，防止误操作对NAND中的数据修改

    rNFCONF |= 0x800;

    return 0;//返回0，表示读取成功

}

3、写NAND内容

/************************************************************************

* 名称:             nand_write

* 功能:             将内存中的一块内容写到nandflash上

* 输入:             unsigned char *buf：              要读取数据的首地址

                   unsigned long start_addr: 要写入的数据在Nand上的首地址

                   int size：                                  写入长度

* 返回:             写入状态           

************************************************************************/

static int nand_write(unsigned char *buf, unsigned long start_addr, int size)

{

    int i, j;//i用于记录当前的，j记录每一页中的byte地址

    /* NAND使能 */

    rNFCONF &= ~0x800;使能//NANDFLASH

    for(i=0; i<10; i++);//等待10个周期

图4：NAND编程时序图

以下部分按照图4时序图而写

    for(i=start_addr; i < (start_addr + size);)

    {

      /* READ0 */

rNFCMD = 0;//由图3-4-5所示，写数据区前先确认写入哪个区，命令为0x0或者0x1。而对于512bytes来说，0x0是从第0个字节开始读起，而0x1是从第256个字节读起。当使用NFCMD寄存器时，控制NAND的ALE会置0，CLE会置1，数据写入时，WE也会由低变高，而当WE由低变高的过程后，命令将锁存在了NAND中的命令寄存器中，而这些都是自动的。

图5：NAND写入位置图

      /* Write Address */

      //nand的写入方法见时序图，由于向2410的NAND的NFADDR寄存器写数据，此时ALE至1，CLE至0，数据写入时，WE也会由低变高，而当WE由低变高的过程后，地址数据将锁存在了NAND中的地址寄存器中，这些全是自动的，而又因为32M的NAND只需要3个周期寻址，所以这里只向地址寄存器发3个周期的命令就可以了。

      rNFADDR = i & 0xff;

      rNFADDR = (i >> 9) & 0xff;//（左移9位，不是8位）

      rNFADDR = (i >> 17) & 0xff; //（左移17位，不是16位）

表3-4-2列出了在地址操作的3个步骤对应的NAND内部地址线，没有A8（它由读命令设置，当读命令为0时，A8=0；当读命令为1时，A8=1），所以在第二，第三次向rNFADDR寄存器发送地址时，需要再多移一位，而不是原来的8和16。

     for(j=0; j < 512; j++, i++)

      {

            rNFDATA =(*buf )& 0xff;//向NAND写入数据，将数据写入到指定的数据写入位置，当使用NFDATA寄存器时，控制NAND的CLE和ALE都会自动1。而buf指针是外面传进来的地址，在下面的函数调用会用到，每写一次NFDATA寄存器，控制NAND的WE都会由低电平向高电平转变。而NANDFLASH的数据每写一次，都会指向下一个内部的地址，而一个数据区由512bytes组成，当继续写下去的时候，将写到16bytes的ECC区，所以每对完512个字节后，要对nand的地址重新定位。

            buf++;//写入地址位置+1

      }

            rNFCMD(0x10);//写入确认命令，由表3-4-5所得，在512个字节写完后，需要确认。这种设计可以防止误操作而影响了内部数据区

wait_idle();//由时序图得到，等待512字节输入完成。

rNFCMD(0x70);//读取NAND状态寄存器的内容

if(rNFDATA&0x1==0x1)

return 1;//读取状态寄存器，判读写入是否成功，由图3-4-4所得，读出的数据0位为1时，写入失败。

    }

    //关芯片使能，防止误操作对NAND中的数据修改

    rNFCONF |= 0x800;

    return 0;//返回0，表示写入成功

}

4、擦NAND内容

/************************************************************************

* 名称:             nand_erase

* 功能:             擦除nandflash上一块内容到指定

* 输入:             unsigned long start_addr: 要擦除的数据在Nand上的首地址

                      int size：              擦除长度

* 返回:             0           

************************************************************************/

static int nand_ erase (unsigned long start_addr, int size)

{

    int i, j;//i用于记录当前的，j记录每一页中的byte地址

    /* NAND使能 */

    rNFCONF &= ~0x800;使能//NANDFLASH

    for(i=0; i<10; i++);//等待10个周期

图6：NAND擦除时序图

以下部分按照图6时序图而写

    for(i=start_addr; i < (start_addr + size);)

    {

            rNFCMD=0x60;//擦除命令

rNFADDR = (i >> 9) & 0xff;//（左移9位，不是8位）

      rNFADDR = (i >> 17) & 0xff; //（左移17位，不是16位）

            NFCMD=0xD0;//确认擦除命令

            i+=512*32;//擦除一块的长度为512字节的页，此种页32页组成一块

       wait_idle();//由时序图得到，等待1块内容被擦除完成。

rNFCMD(0x70);//读取NAND状态寄存器的内容

if(rNFDATA&0x1==0x1)

returen 1;//如果失败，则返回1

}

//关芯片使能，防止误操作对NAND中的数据修改

    rNFCONF |= 0x800;

    return 0;//返回0，表示擦除成功

}

以上4次情况可以基本完成对NAND的操作，但是这里要注意的是，在linux写入和读出时，必须是出NAND中的每一页的第0个字节读取，而不能随便从其中间的位置读取，而这一部分是MTD中有明确的方法，这里不作进一步分析了。