S3C2440开发板裸机程序系列07—NAND FLASH存储器

1.     概述

我的TQ2440开发板上安装有2M的NOR FLASH和512M的NAND FLASH。

NOR FLASH 的特点是芯片内执行（XIP, eXecute In Place），应用程序可以直接在 NOR FLASH 里运行，不必再把代码读到系统RAM中（可以节约SRAM的成本）。NOR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。

NAND FLASH的特点是有很高的存储密度，并且写入和擦除速度也很快，但是无法直接寻址运行程序，接口上需要专门的控制器。另外NAND FLASH 非常容易出现坏区，所以需要有校验的算法。

因此，NOR FLASH一般保存启动代码和系统固件，相当于BISO。NAND FLASH用于存储数据，相当于硬盘。

可参照这篇文章： 

RAM、NAND Flash、NOR Flash的区别详解

 下面从硬件连接、NANDFLASH内部结构、读写操作、控制器寄存器设置、编程例子等几个方面进行展开。

2.     NANDFLASH的硬件连接

我的TQ2440开发板上的NAND FLASH型号是K9F4G08U0B，最后的B代表第3代--3rd Generation。

NAND FLASH的命名规则详见： Nand Flash 命名规则  

硬件连接关系如下图所示。

GPA接口复用如下：

经查” TQ2440_V2核心板原理图”，GPA21未连接，如下图：

S3C2440提供OM[1:0]，NCON，GPG13，GPG14，GPG15这5个信号来选择NAND FLASH启动，参见S3C2440中文手册，可知：

TQ2440核心板提供的连接关系：

由上图可知，电阻NR5未焊接，即NCON与GND是断路，所以：NCON=1，GPG13=1，GPG14=1，GPG15=0。即，先进NAND Flash，每个页面2K字节，需要5个地址周期，8位宽度。

3.     NANDFLASH内部组织结构

如下图所示：

由上图可知K9F4G08结构：

共4096个块，每个块有64个页，因此共有4096x64 = 256K 个页，每个页有效存储数据是2K字节，因此总共有效存储容量512M字节。

访问一个数据需要共5个周期（Cycle）：

第1,2个周期访问列（A0—A11），即访问页内，2^11=2K

第3,4,5个周期访问行（A12—A29），即访问块， 2^(29-11)=2^18=256K。

具体到程序代码中是这样：

NF_Send_Addr(0x00); 

NF_Send_Addr(0x00); 

NF_Send_Addr((page_number) & 0xff); 

NF_Send_Addr((page_number >> 8) & 0xff); 

NF_Send_Addr((page_number >> 16) & 0x3); 

分5个周期。因为读写一般是按页为单位进行，所以前2行发0x00，后面3行把页号分3次发到A12--A19上。

4.     读写操作

对NAND FLASH的访问操作（读，写，擦除）可按照下面的步骤：

a．发送命令：是哪种操作，读，写，擦除？

b．发送地址：对哪一个地址操作

c． 发送数据。

5.     控制器寄存器设置

简单读写编程需要设置的寄存器包括：

GPACON : 将GPA17—GPA22设置为NAND FLASH控制器信号；

NFCONF : 主要确定TACLS、TWRPH0、TWRPH1的值；

NFCONT：用于开启NAND FLASH控制器，设置是否使能软件上锁；

NFCMD：用于写入命令；

NFADDR：用于写入要访问的地址；

NFDATA：要写入的数据放到这里；

NFSTAT： 用于检测NAND FLASH是否处于忙状态。

对于GPACON设置如下 （虽然GPA21未用到）：

rGPACON &=~(0X3F << 17) ;

rGPACON |= (0X3F<< 17) ;

对于NFCONF，需要了解各参数对应关系。 S3C2440手册中如下图：

NAND FLASH的datasheet的时序关系：

由上图可知，TWRPH0 = tWP ，TWRPH1 = tCLH（= tALH）

例程中，FCLK=200MHz，HCLK=100MHz，PCKL=50MHz，因此：

tCLH = 5ns，Duration = 10ns *(TWRPH1+1)   ==> TWRPH1=0

tWP = 12ns，Duration = 10ns *(TWRPH0+1) = 12min  ==> TWRPH0>=1即可

tCLS - tWP = TACLS= 0ns，==> TACLS>=0，取TACLS=1.

NFCONT控制的第0位

NFCMMD

 NFADDR

NFDATA(只使用了低8位)

NFSTAT

 定义如下宏定义：

#define NF_Send_Cmd(cmd)   {rNFCMD  = (cmd); }

#define NF_Send_Addr(addr)  {rNFADDR = (addr); }

#define NF_Send_Data(data)  {rNFDATA8 = (data); }      

#define NF_Enable()                            {rNFCONT &= ~(1<<1); }           //nand flash控制器使能

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

#define NF_Enable_RB()           {rNFSTAT |= (1<<2); }                  //开启RnB监视模式；

#define NF_Check_Busy()                  {while(!(rNFSTAT&(1<<0)));} 

#define NF_Read_Byte()          (rNFDATA8)

6.     读器件ID程序

读器件ID的命令是90H，接下来5个周期读到产品信息码：

由上图可知，发送Address后有一个tREA延时。

读ID的程序如下：

void NF_ReadID(unsigned char *buf)

{

int i;

NF_Enable();    

NF_Enable_RB();

NF_Send_Cmd(CMD_READID); // read id command

NF_Send_Addr(0x0);

for ( i = 0; i < 100; i++ );

        *buf = NF_Read_Byte();

*(buf+1) = NF_Read_Byte();

*(buf+2)    = NF_Read_Byte();

*(buf+3) = NF_Read_Byte();

*(buf+4) = NF_Read_Byte();

NF_Disable();

}

主程序如下：

#define ESC_KEY 0x1b

unsigned char table[]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,

0x38,0x39,0x41,0x42,0x43,0x44,0x45,0x46};

int Main()

{

int i;

unsigned char key ;

unsigned char nandID[5];

Uart0_Init(115200);

NF_Init();

NF_ReadID(nandID);

Uart0_Printf( "nNand Flash ID:n" );

for(i=0;i<5;i++){

Uart0_Putc(table[nandID[i]>>4]);

Uart0_Putc(table[nandID[i]&0x0f]);

Uart0_Printf(" t");

}

Uart0_Printf( "nPress 'ESC' key to Exi n" );

while(1)

{

key = Uart0_Getc();

if( key == ESC_KEY ) { return 1; }

}

return 0;

}

7.     写入/读出 一个Block

先向第17个Block写入00—FF，然后把第17个Block中的数据读出来，并从串口0输出。

主程序如下： 

#define ESC_KEY 0x1b

unsigned char table[]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,

0x38,0x39,0x41,0x42,0x43,0x44,0x45,0x46};

int Main()

{

unsigned char key ;

unsigned char srcbuf[2048],dstbuf[2048] ;

unsigned int i=1 ;

Uart0_Init(115200);

NF_Init();

for(i = 0 ; i < 2048 ; i++)

{

srcbuf[i] = i ;

}

NF_EraseBlock(17) ;

Uart0_Printf( "nWrite 0-FF to block[17] of NandFlash n" );

NF_WritePage(17,4,srcbuf) ;

Uart0_Printf( "nRead block[17] of NandFlash :n" );

NF_ReadPage(17,4, dstbuf);

for(i = 0 ; i < 2048 ; i++)

{

Uart0_Putc(table[dstbuf[i]/16]) ;

Uart0_Putc(table[dstbuf[i]%16]) ;

Uart0_Putc(' ') ;

}

Uart0_Printf( "nPress 'ESC' key to Exi n" );

while(1)

{

key = Uart0_Getc();

if( key == ESC_KEY ){ return 1; }

}

return 0 ;

}