Nand Flash原理分析与编程

 

        NAND Flash 在嵌入式系统中的地位与PC机上的硬盘是类似的。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，系统掉电后数据不会护丢失。现在的Flash主要有两咱，一种是NAND Flash 一种是Nor Flash。NOR Flash是由Intel公司于1988年发明的，用以代替EERPOM，NAND Flash由Toshiba 公司在1989年发明的。

    网上有很多介绍两者区别的文章，在此就不做介绍了，主要介绍关于NAND Flash的组织结构和编写程序的方法。

       在三星的NAND Flash 中，当CPU从NAND Flash开始启动时，CPU会通过内部的硬件将NAND Flash开始的4KB数据复制到称为“Steppingstone”的4KB的内部RAM中，起始地址为0，然后跳到地址0处开始执行。这也就是我们为什么可以把小于4KB的程序烧到NAND Flash中，可以运行，而当大于4KB时，却没有办法运行，必须借助于NAND Flash的读操作，读取4KB以后的程序到内存中。

        NAND Flash的寻址方式和NAND Flash的memory组织方式紧密相关。NAND Flash的数据是以bit的方式保存在 memory cell（存储单元）。一般情况下，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 Flash的位宽。

         这些Line会再组成Pape（页）。然后是每32个page形成一个Block，所以一个Block（块）大小是16k.Block是NAND Flash中最大的操作单元，其中的擦除操作是以Block为单位进行擦除的，而读写和编程是以page为单位进行操作的，并且读写之前必须进行flash的擦写。我们这里以三星K9F1208U0M的NAND Flash 为例，它的大小是64MB的。

1block = 32page

1page = 512bytes(datafield) + 16bytes(oob)

      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

                       Nand Flash 物理结构图

 

    在NAND Flash中有8个I/O引脚（IO0—IO7）、5个全能信号（nWE ALE CLE nCE nRE）、一个引脚，1个写保护引脚。操作NAND Flash时，先传输命令，然后传输地址，最后读写数据。对于64MB的NAND Flash，需要一个26位的地址。只能8个I/O引脚充当地址、数据、命令的复用端口，所以每次传地址只能传8位。这样就需要4个地址序列。因此读写一次nand flash需要传送4次（A[7:0] A[16:9] A[24:17] A[25]）。64M的NAND Flash的地址范围为0x00000000—0x03FFFFFF。128M的NAND Flash的地址范围为0x00000000---0x07FFFFFF。1KB = 0x000-0x3FF.128字节=0x00H--7FH。

    一页有528个字节，而在前512B中存放着用户的数据。在后面的16字节中（OOB）中存放着执行命令后的状态信息。主要是ECC校验的标识。列地址A0-A7可以寻址的范围是256个字节，要寻址528字节的话，将一页分为了A.（1 half array）B(2 half array) C(spare array)。A区0—255字节，B区 256-511 字节C区512—527字节。访问某页时必须选定特定的区。这可以使地址指针指向特定的区实现。

       在NAND Flash 中存在三类地址，分别为Block Address 、Column Address Page Address.。

       Column Address 用来选择是在上半页寻址还是在下半页寻址A[0]—A[7].也就相当于页内的偏移地址。在进行擦除时不需要列地址，因为擦除是以块为单位擦除。32个Page需要5bit来表示。也就是A[13:9];也就是页在块内的相对地址。A8这一位用来设置512字节的上半页，还是下半页，1表示是在上半页，而2表示是在下半页。Block的地址有A[25:14]组成。

 

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一定要将相应块擦除（擦除就是将相应块的位全部变为1

3 OOB部分的第六字节（即517字节）标志是否坏块，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前3字节存放Nand Flash硬件ECC码

         一个容量为64M(512Mbit)的NAND Flash,分为131072页，528列。（实际中由于存在spare area,故都大于这个值），有4096块，需要12bit来表示即A[25:14].如果是128M（1Gbit）的话，blodk Address为A[26:14].由于地址只能在IO0—IO7上传送。编程时通常通过移位来实现地址的传送。传送过程如下：

第1个地址序列：传递column address，也就是NAND Flash[7:0],这一周期不需要移位即可传递到I/O[7:0]上，而half page pointer 即A8是由操作指令决定，00h，在A区，01h在B区，指令决定在哪个half page上进行读写，而真正A8的值是不需要程序员关心的；

第2个地址序列：就是将NAND_ADDR 右移9位，而不是8位，将NAND_ADDR[16:9]传递到I/O[7:0]上；

第3个地址序列：将NAND_ADDR[24:17] 传递到I/O[7:0]上；

第4个地址序列：将NAND_ADDR[25]传送到I/O上。

    整个地址的传送过程需要4步才能完成。如果NAND Flash 的大小是32MB的以下的话，那么block address 最高位只到bit24,因此寻址只需要3步，就可以完成。

       在进行擦除操作时由于是以块进行擦除，所以只需要3个地址序列，也就是只传递块的地址，即A[14:25]。

 

NAND Flash地址的计算：

        Column Address 翻译过来是列地址，也就是在一页里的偏移地址。其实是指定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。

        Page Address:页地址。页的地址总是以512Bytes对齐的，所以它的低9位问题0，确定读写操作在NAND Flash中的哪个页进行。

    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。

Columnaddr = addr % 512   // column address

Pageaddr = addr>>9            // page address

 

      也就是一个Nand Flash地址的A0-A7是它的column address ,A9—A25是它的Page Address，地址A8被忽略。

现在假设我要从Nand Flash中的第5000字节处开始读取1024个字节到内存的0x30000000处，我们这样调用read函数

 

NF_Read(5000, 0x30000000,1024);

我们来分析5000这个src_addr.

根据   

column_addr=src_addr%512;       

page_address=(src_addr>>9);     

我们可得出column_addr=5000%512=392

page_address=(5000>>9)=9

于是我们可以知道5000这个地址是在第9页的第392个字节处，于是我们的NF_read函数将这样发送命令和参数

column_addr=5000%512;

page_address=(5000>>9);

NF_CMD=0x01;                                          //要从2nd half开始读取 所以要发送命令0x01

NF_ADDR= column_addr &0xff;                     //1st Cycle A[7:0]

NF_ADDR=page_address& 0xff

NF_ADDR=(page_address>>8)&0xff;                 //3rd.Cycle   A[24:17]

NF_ADDR=(page_address>>16)&0xff;              //4th.Cycle   A[25]

    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).