嵌入式系统中Nand-Flash的原理及应用

    当前各类嵌入式系统开发设计中，存储模块是不可或缺的重要方面。NOR和NAND是目前市场上两种主要的非易失闪存技术。Nor-flash存储器的容量 较小、写入速度较慢，但因其随机读取速度快，因此在嵌入式系统中，常应用在程序代码的存储中。Nor-flash存储器的内部结构决定它不适合朝大容量发 展;而Nand-flash存储器结构则能提供极高的单元密度，可以达到很大的存储容量，并且写入和擦除的速度也很快。

    Nand-flash存储器是flash存储器的-种，其内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量存储器的实现提供了廉价有效的解决方案。Nand- flash存储器具有容量较大，改写速度快，适用于大量资料的存储，因而在业界得到了越来越广泛的应用，如嵌入式产品中包括数码相机、MP3随身听记忆 卡、体积小巧的U盘等。
    本文以三星公司的K9F1208UOB芯片为例，介绍Nand-flash存储器芯片的读写流程和时序。

1 Nand-Flash存储器的工作原理
1.1 Nand-Flash存储器的组成结构及指令集
    K9F1208UOB的容量为64Mb，存储空间按128K个页(行)、每页中528个字节(列)的组成方式构成。备用的16列，位于列地址的 512-527。K9F1208UOB还将存储空间分为块(block)，每1块由32个页构成。因此K9F1208UOB中一共有4096个块。这种“ 块-页”结构，恰好能满足文件系统中划分簇和扇区的结构要求。K9F1208UOB的内部结构如图1所示。
 
图1 K9F1208UOB的内部结构
    K9F1208UOB的读和写都以页为单位，擦除则以块为单位进行操作。
    K9F1208UOB的地址通过8位端口传送，有效地节省了引脚的数量，并能够保持不同密度器件引脚的一致性，系统可以在电路不作改动的情况下升级为高容量存储器件。
    K9F1208UOB通过CLE和ALE信号线实现I/O口上指令和地址的复用。指令、地址和数据都通过拉低WE和CE从I/O口写入器件中。有一些指令 只需要一个总线周期完成，例如，复位指令、读指令和状态读指令等;另外一些指令，例如页写入和块擦除，则需要2个周期，其中一个周期用来启动，而另一个周 期用来执行。

1.2 Nand-Flash操作
1.2.1 页读操作
    在初始上电时，器件进入缺省的“读方式1模式”。在这一模式下，页读操作通过将00h指令写入指令寄存器，接着写入3个地址(1个列地址，2个行地址)来启动。一旦页读指令被器件锁存，下面的页读操作就不需要再重复写入指令了。
    写入指令和地址后，处理器可以通过对信号线R/B的分析来判断该操作是否完成。如果信号为低电平，表示器件正“忙”;为高电平，说明器件内部操作完成，要 读取的数据被送入了数据寄存器。外部控制器可以在以50ns为周期的连续RE脉冲信号的控制下，从I/O口依次读出数据。连续页读操作中，输出的数据是从 指定的列地址开始，直到该页的最后-个列地址的数据为止。

1.2.2 页写操作
    K9F1208UOB的写入操作也以页为单位。写入必须在擦除之后，否则写入将出错。
    页写入周期总共包括3个步骤：写入串行数据输入指令(80h)，然后写入3个字节的地址信息，最后串行写入数据。串行写入的数据最多为528字节，它们首先被写入器件内的页寄存器，接着器件进入一个内部写入过程，将数据从页寄存器写入存储宏单元。
    串行数据写入完成后，需要写入“页写入确认”指令10h，这条指令将初始化器件的内部写入操作。如果单独写入10h而没有前面的步骤，则10h不起作用。 10h写入之后，K9F1208UOB的内部写控制器将自动执行内部写入和校验中必要的算法和时序，这时系统控制器就可以去做别的事了。
    内部写入操作开始后，器件自动进入“读状态寄存器”模式。在这一模式下，当RE和CE为低电平时，系统可以读取状态寄存器。可以通过检测R/B的输出，或 读状态寄存器的状态位(I/O 6)来判断内部写入是否结束。在器件进行内部写入操作时，只有读状态寄存器指令和复位指令会被响应。当页写入操作完成，应该检测写状态位(I/O 0)的电平。
    内部写校验只对没有成功地写为0的情况进行检测。指令寄存器始终保持着读状态寄存器模式，直到其他有效的指令写入指令寄存器为止。

1.2.3 块擦除
    擦除操作是以块为单位进行的。擦除的启动指令为60h，块地址的输入通过两个时钟周期完成。这时只有地址位A14到A24是有效的，A9到A13则被忽 略。块地址载入之后执行擦除确认指令D0h，它用来初始化内部擦除操作。擦除确认命令还用来防止外部干扰产生擦除操作的意外情况。器件检测到擦除确认命令 输入后，在WE的上升沿启动内部写控制器开始执行擦除和擦除校验。内部擦除操作完成后，检测写状态位(I/O 0)，从而了解擦除操作是否有错误发生。

1.2.4 读状态寄存器
    K9F1208UOB包含一个状态寄存器，该寄存器反应了写入或擦除操作是否完成，或写入和擦除操作是否无错。写入70h指令，启动读状态寄存器周期。状态寄存器的内容将在CE或RE的下降沿处送出至I/O端口。
    器件一旦接收到读状态寄存器的指令，它就将保持状态寄存器在读状态，直到有其他的指令输入。因此，如果在任意读操作中采用了状态寄存器渎操作，则在连续页读的过程中，必须重发00h或50h指令。

1.2.5 读器件ID
    K9F1208UOB器件具有一个产品鉴定识别码(ID)，系统控制器可以读出这个ID，从而起到识别器件的作用。读ID的步骤是：写入90h指令，然后写入一个地址00h。在两个读周期下，厂商代码和器件代码将被连续输出至I/O口。
    同样，一旦进入这种命令模式，器件将保持这种命令状态，直到接收到其他的指令为止。

1.2.6 复位
    器件提供一个复位(RESET)指令，通过向指令寄存器写入FFh来完成对器件的复位。当器件处于任意读模式、写入或擦除模式的忙状态时，发送复位指令可 以使器件中止当前的操作，正在被修改的存储器宏单元的内容不再有效，指令寄存器被清零并等待下一条指令的到来。当WP为高时，状态寄存器被清为C0h。

2 系统硬件连线及软件设计
2.1硬件连线
    K9F1208UOB和S3C2440A的接口电路如图2所示。
 
图2 K9F1208UOB与S3C2440A硬件电路
2.2 软件设计
步骤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子函数实现了主要测试功能。
gpacon = rGPACON;
rGPACON=(rGPACON &~(0x3f<<17))|(0x3f<<17);
首先备份rGPACON的内容，再设置GPA17-22的工作方式。然后调用Nand-Flash初始化函数。
NF8_Init0;//初始化函数
初始化函数的实现源码如下：
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)：

步骤2：读器件ID码
    由于S3C2440A中没有像支持SDRAM 一样提供直接与Nand-flash存储器的接口，读写的过程要靠软件编程来完成。初始化Nand-Flash后，就可以对Nand-Flash进行操作了。
程序调用NF8_Print_Id()子函数读出器件ID码。
id=NF8_CheckId(); //继续调用子函数
device=(U8)id;
maker=(U8)(id>>8)：
Uart_Printf("Maker:%x,Device:%x ",maker,device);
NF8_Print_Id()源码如下：
NF_CMD(0x90);//写入90h指令
NF_ADDR(0x0);//写入地址00h
for(i=0;i<10;i++);
Uart_Printf("NFSTAT:0x%x ",rNFSTAT);
id=NF_RDDATA8()<<8;//Maker code 0xec读出ID值
id |=NF_RDDATA8();
//Devide code(K9S1208V:0x76)，(K9K2G16U0M:0xca)

步骤3：页读写程序
    本实验实现了某页的写及读出验证功能。Test_NFS_Rw子函数实现这一功能。
    程序首先初始化要写入的数据，*dstPt是要读出验证的数据，先填0;*srcPt是要写入的数据，先用随机数填满。
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;//随机数填满
#else
if(offset==-1) srcPt++ =i%0xf;
#endif
else *srcPt++=i+offset;
}
写之前先进行擦除工作：
if(NF8_EraseBIock(block)==FAIL) return;
然后进行页写入操作：
if(NF8_WritePage(block,page,srcPt)==FAIL) return;
将用随机数填满的srcPt指向的数据写入到指定的页中。写入之后再读出验证：
if(NF8_ReadPage(block,page,dstPt)==FAIL) return;
Uart_Printf("Checking data. ");
for(error=0,i=0;i<512;i++){
if(*srcPt++!=*dstPt++){//比较操作
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)将读出的数据放入dstPt指向的地址空间里。最后将写入的数据和读出的数据比较，打印验证信息。

步骤4：编译工程
    所有的函数都实现以后，通过ADS1.2进行编泽，生成可执行文件。在工程文件夹" andflash_testaandflash_test_DatakDebugRel"下，可以看到nandflash_test.bin可执行文件。

步骤5：下载程序运行
    将串口线与硬件开发系统板串口和开发PC机的COM1连接好(主要用于回显)，用USB线和开发PC 机的USB口相连后(主要用于数据的下载)，打开DNW 软件，将串口设置为COM1，比特率设置为115200，USB下载地址设为0x30000000。
    使用DNW 将前面生成的可执行文件下载到内存中去运行。

3 结束语
    本文主要讨论了Nand-flash存储器芯片的工作原理以及以三星公司基于ARM公司的ARM920T处理器核S3C2440A为平台举了一个测试实例，让读者对整个存储系统的软硬件设计过程有了一个较为全面的了解，便于在其它嵌入式系统设计中运用。