ARM开发步步深入之NandFlash 4KB突围

突破4KB的Steppingstone存储空间限制，读取NandFlash中4KB后的代码实现“点灯大法”，借此掌握NandFlash的操作。

实验环境及说明：恒颐S3C2410开发板H2410。H2410核心板的NandFlash选用的是三星片上(SOP)K9F1208U0M，该NandFlash容量为64MB。

实验思路：开发板上电启动后，自动将NandFlash开始的4K数据复制到SRAM中，然后跳转到0地址开始执行。然后初始化存储控制器SDRAM，调用NandFlash读函数操作把4KB后的点灯代码复制到SDRAM中，跳到点灯代码的入口点实现点灯操作。

知识掌握：NandFlash内部结构、命令字及存储控制器
一、NandFlash内部结构
不同开发板使用的NandFlash的型号可能不一样，本文只是以K9F1208U0M为例做个简单介绍。引脚描述如下所示：


NandFlash存储单元结构图如下所示：


Device、Block和Page之间的关系---1 Device = 4,096 Blocks = 4096*32 Pages = 128K Pages；1 Block = 32 Page；1 Page = 528 Byte = 512 Byte + 16 Byte。其中1 Page中包含有数据寄存器512 Byte和16 Byte的备用位用于ECC校验存储。所以有528 columns * 128K rows(Pages)。1 Page中的512 Byte的数据寄存器又分为两个部分1st 256 Bytes和 2nd 256 Bytes。用于数据存储的单元有 512 Bytes * 32 Pages * 4096 Blocks = 64 MB，用于ECC校验单元有16 Bytes * 32 Pages * 4096 Blocks = 2MB 。
二、NandFlash命令字
操作NandFlash时，先传输命令，然后传输地址，最后进行数据的读/写。K9F1208U0M的命令字如下所示：


由于寻址需要26bit的地址，该26bit地址通过四个周期发送到NandFlash，如下图所示：


Read 1操作：该操作是对512 Bytes * 32 Pages * 4096 Blocks = 64 M的数据寄存器进行寻址。第一个周期发送A7~A0的8bit Column地址，8bit的寻址范围是0~255，只能对1st 256 Bytes部分进行寻址。00h命令是1st 256 Bytes部分寻址。当发送01h命令时，A8将会被置1，此时寻址范围变成了256~511了，所以01h命令是对2nd 256 Bytes部分进行寻址。(*注意：A8在发送00h命令后被清0，在发送01h命令后被置1，并且在发送01h对2nd寻址完毕后，A8会自动清0，指针会自动地指向1st)；第二个周期的A9~A13的5bit是对Page进行寻址(因为1 Block = 32 Pages，5bit的寻址范围是0~31，可以对1 Block里面的所有Page进行寻址)。A14~A25的12bit则是对Block进行寻址，12bit的寻址范围是0~4095，对整个Device的4096个Blocks进行寻址。Read 2操作：该操作是对16 Bytes * 32 Pages * 4096 Blocks =2MB的备用位(ECC)进行寻址。50h命令为Read2操作，对1 Page里面的后16 Byte寻址。这样，通过四个周期的发送即可对整个Device的所有存储单元进行寻址。
三、NandFlash存储控制器
S3C2410为简化对NandFlash的操作，提供了一组NandFlash控制器来实现对K9F1208U0M命令字的操作，主要有配置寄存器NFCONF、控制寄存器NFCONT、命令寄存器NFCMD、地址寄存器NFADDR、数据寄存器NFDATA和状态寄存器NFSTAT。
★NFCONF被用来使能/禁止NandFlash控制器、使能/禁止控制引脚信号nFCE、初始化ECC、设置NandFlash的时序参数。TACLS、TWRPH0、TWRPH1---这三个参数控制着NandFlash信号线CLE/ALE与写控制信号new的时序关系。根据NandFlash的Datasheet中对其最小读/写/控制时间的要求，联系HCLK实际取值一般为100MHz，可以设这三个参数分别为1：3：1个HCLK即可(貌似ViVi中是1：3：1)，这样可以满足其时序要求。
★NandFlash状态寄存器NFSTAT。只用到最低位[0]，0：busy；1：ready。
NandFlash存储控制器根据OM[1:0]位的取值可以工作在①自动启动模式---OM[1:0]=00时，复位之后，NandFlash的最先4KB的代码被复制到Steppingstone中即内部4KB的SRAM。Steppingstone被映射为Bank0(nGS0)，且CPU在此4KB内部SRAM中开始执行启动代码；②NandFlash模式。

示例代码解析：
★head.S头文件来设置SDRAM，设置SDRAM，将第二部分代码复制到SDRAM，然后跳到SDRAM继续执行。
.equ        MEM_CTL_BASE,       0x48000000

.text
.global _start
_start:
    bl  disable_watch_dog               @关门喂狗
    bl  mem_control_setup               @设置存储控制器
    ldr sp, =4096                                 @设置栈指针，以下C函数调用前需要设好栈
    bl  nand_init                                  @初始化NandFlash
@将NandFlash中地址4096开始的1024字节代码(led.c编译得到)复制到SDRAM中
    ldr  r0, =0x30000000                  @目标地址=0x30000000，SDRAM起始地址
    mov  r1, #4096                            @源地址=4096，连接的时候led代码在4096开始处
    mov  r2, #1024                            @复制长度=1024，对于本实验的led足够
    bl  nand_read                              @调用C函数nand_read
    ldr  lr, =halt_loop                         @设置返回地址
    ldr  sp, =0x34000000                 @重新设置栈    
    ldr  pc, =main                               @使用向pc赋值的方法进行跳转到点灯代码
halt_loop:
    b  halt_loop
★nand.c文件实现NandFlash的初始化和数据读取
#define BUSY  1

typedef unsigned long S3C2410_REG32; //貌似此处定义为unsigned int反汇编结果一样的，也没问题。猜可能是ARM指令直接按32位存储了吧，知道的可以和我说一下！

/* NandFlash结构体 */
typedef struct {
    S3C2410_REG32   NFCONF;
    ......
    S3C2410_REG32   NFECC;
}S3C2410_NAND;

static S3C2410_NAND * s3c2410nand = (S3C2410_NAND *)0x4e000000;

/* 供外部调用的函数声明 */
void nand_init(void);
void nand_read(unsigned char *buf, unsigned long start_addr, int size);

/* S3C2410的NandFlash处理函数声明 */
static void s3c2410_nand_reset(void);
......
static unsigned char s3c2410_read_data();

/* S3C2410的NandFlash操作函数实现 */

/* 复位 */
static void s3c2410_nand_reset(void)
{
    s3c2410_nand_select_chip();
    s3c2410_write_cmd(0xff);  //发命令字0xFF实现复位操作复位
    s3c2410_wait_idle();
    s3c2410_nand_deselect_chip();
}

/* 等待NandFlash就绪 */
static void s3c2410_wait_idle(void)
{
    int i;
    volatile unsigned char *p = (volatile unsigned char *)&s3c2410nand->NFSTAT;
    while(!(*p & BUSY))
        for(i=0; i<10; i++);
}

/* 发出片选信号 */
static void s3c2410_nand_select_chip(void)
{
    int i;
    s3c2410nand->NFCONF &= ~(1<<11);  //对NFCONF的11位写0，激活NandFlash
    for(i=0; i<10; i++);    
}

/* 取消片选信号 */
static void s3c2410_nand_deselect_chip(void)
{
    s3c2410nand->NFCONF |= (1<<11);  //对NFCONF的11位写1，使NandFlash不活动
}

/* 发出命令 */
static void s3c2410_write_cmd(int cmd)
{
    volatile unsigned char *p = (volatile unsigned char *)&s3c2410nand->NFCMD;
    *p = cmd;
}

/* 发出地址 */
static void s3c2410_write_addr(unsigned int addr)
{
    int i;
    volatile unsigned char *p = (volatile unsigned char *)&s3c2410nand->NFADDR;
    
    *p = addr & 0xff;
    for(i=0; i<10; i++);
    *p = (addr >> 9) & 0xff;
    for(i=0; i<10; i++);
    *p = (addr >> 17) & 0xff;
    for(i=0; i<10; i++);
    *p = (addr >> 25) & 0xff;
    for(i=0; i<10; i++);
}

/* 读取数据 */
static unsigned char s3c2410_read_data(void)
{
    volatile unsigned char *p = (volatile unsigned char *)&s3c2410nand->NFDATA;
    return *p;
}

//设置TACLS、TWRPH0、TWRPH1三者的值，貌似ViVi等代码中TWRPH0设为3，不知这样的好处，知道的可以告诉我！
#define TACLS   0
#define TWRPH0  2
#define TWRPH1  0
/* 初始化NandFlash */
void nand_init(void)
{
    /* 使能NandFlash控制器, 初始化ECC, 禁止片选, 设置时序 */
    s3c2410nand->NFCONF = (1<<15)|(1<<12)|(1<<11)|(TACLS<<8)|(TWRPH0<<4)|(TWRPH1<<0);
    /* 复位s3c2410 NandFlash */
    s3c2410_nand_reset();
}

#define NAND_SECTOR_SIZE    512
#define NAND_BLOCK_MASK     (NAND_SECTOR_SIZE - 1)
/* 读函数 */
void nand_read(unsigned char *buf, unsigned long start_addr, int size)
{
    int i, j;
    
    if ((start_addr & NAND_BLOCK_MASK) || (size & NAND_BLOCK_MASK)) {
        return ;    /* 地址或长度不对齐 */
    }
    /* 选中芯片 */
    s3c2410_nand_select_chip();
    for(i=start_addr; i < (start_addr + size);) {
      /* 发出READ0命令 */
      s3c2410_write_cmd(0);
      /* 写地址*/
      s3c2410_write_addr(i);
      /*等待*/
      s3c2410_wait_idle();
      for(j=0; j < NAND_SECTOR_SIZE; j++, i++) {
          *buf = s3c2410_read_data();
          buf++;
      }
    }
    /* 取消片选信号 */
    s3c2410_nand_deselect_chip();
    
    return ;
};