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分类: 嵌入式

2014-03-30 12:09:34

摘自:《嵌入式Linux应用开发完全手册》——韦东山

一、NAND Flash介绍和NAND Flash控制器的使用

NAND Flash在嵌入式系统中的作用,相当于PC上的硬盘

常见的Flash有NOR Flash和NAND Flash,NOR Flash上进行读取的效率非常高,但是擦除和写操作的效率很低,容量一般比较小;NAND Flash进行擦除和写操作的效率更高,并且容量更大。一般NOR Flash用于存储程序,NAND Flash用于存储数据。

1)NAND Flash的物理结构

笔者用的开发板上NAND Flash型号是K9F1G08,大小为128M,下图为它的封装和外部引脚

* NandFlash接口信号较少

* 数据宽度只有8Bit,没有地址总线。地址和数据总线复用,串行读取


信号名称

信号描述

IO[7..0]

数据总线

CE#

片选信号(Chip Select),低电平有效

WE#

写有效(Write Enable),低电平表示当前总线操作是写操作

RE#

读有效(Read Enable),低电平表示当前总线操作是读操作

CLE

命令锁存(Command Latch Enable)信号,写操作时给出此信号表示写命令

ALE

地址/数据锁存(Address Latch Enable)信号,写操作时给出此信号表示写地址或数据

WP#

写保护(Write Protect)信号

R/B

(Read/Busy)信号

 

2)K9F1G08功能结构图如下

 

K9F1G08内部结构有下面一些功能部件

①X-Buffers Latches & Decoders:用于行地址

②X-Buffers Latches & Decoders:用于列地址

③Command Register:用于命令字

④Control Logic & High Voltage Generator:控制逻辑及产生Flash所需高压

⑤Nand Flash Array:存储部件

⑥Data Register & S/A:数据寄存器,读、写页时,数据存放此寄存器

⑦Y-Gating

⑧I/O Buffers & Latches

⑨Global Buffers

⑩Output Driver

3)NAND Flash 存储单元组织结构图如下:

 

K9F1G08容量为1056Mbit,分为65536行(页)、2112列,每一页大小为2kb,外加64字节的额外空间,这64字节的额外空间的列地址为2048-2111

命令、地址、数据都通过IO0-IO7输入/输出,写入命令、地址或数据时,需要将WE、CE信号同时拉低,数据在WE信号的上升沿被NAND FLash锁存;命令锁存信号CLE、地址锁存信号ALE用来分辨、锁存命令或地址。

K9F1G08有128MB的存储空间,需要27位地址,以字节为单位访问Flash时,需要4个地址序列

NandFlash地址结构

* NandFlash设备的存储容量是以页(Page)和块(Block)为单位的。

* Page=528Byte (512Byte用于存放数据,其余16Byte用于存放其他信息,如块好坏的标记、块的逻辑地址、页内数据的ECC校验和等)

* Block=32Page

* 容量为64MBNandFlash存储结构为:512Byte×32Page×4096Block

* NandFlash以页为单位进行读和编程(写)操作,一页为512Byte;以块为单位进行擦除操作,一块为512Byte*32page=16KB

* 对于64MBNAND设备,需要26根地址线,由于NAND设备数据总线宽度是8位的,因此必须经过4个时钟周期才能把全部地址信息接收下来


 

I/O7

I/O6

I/O5

I/O4

I/O3

I/O2

I/O1

I/O0

第一个周期

A7

A6

A5

A4

A3

A2

A1

A0

第二个周期

A15

A14

A13

A12

A11

A10

A9

A8

第三个周期

A23

A22

A21

A20

A19

A18

A17

A16

第四个周期

 

 

 

 

 

 

A25

A24

 

* 可以这么说,第一个时钟周期给出的是目标地址在一个page内的偏移量,而后三个时钟周期给出的是页地址

* 由于一个页内有512Byte,需要9bit的地址寻址,而第一个时钟周期只给出了低8bit,最高位A8由不同的读命令(Read Mode2)来区分的。

4). NandFlash的命令 

[ARM笔记]存储器扩展连接理解(S3C2410为例)—NandFlash - Fantity Wei - Footprint

NAND Flash访问方法

NAND Flash硬件连接如下图:

 

NAND Flash和S3C2440的连线包括,8个IO引脚,5个使能信号(nWE、ALE、CLE、nCE、nRE)、1个状态引脚(R/B)、1个写保护引脚(nWP)。地址、数据和命令都是在这些使能信号的配合下,通过8个IO引脚传输。写地址、数据、命令时,nCE、nWE信号必须为低电平,它们在 nWE信号的上升沿被锁存。命令锁存使能信号CLE和地址锁存使能信号ALE用来区别IO引脚上传输的是命令还是地址。

 

命令字及操作方法

        操作NAND Flash时,先传输命令,然后传输地址,最后读写数据,这个期间要检查Flash的状态。K9F1G08容量为128MB,需要一个27位的地址,发出命令后,后面要紧跟着4个地址序列。

下图为K9F1G08的命令字

下图为K9F1G08的地址序列

K9F1G08有2112列,所以必须使用A0-A11共12位来寻址,有65535行,所以必须使用A12-A27共16位来寻址。

 

3)S3C2440 NAND Flash控制器介绍

NAND Flash的读写操作次序如下:

①设置NFCONF配置NAND Flash

②向NFCMD寄存器写入命令

③向NFADDR寄存器写入地址

④读写数据:通过寄存器NFSTAT检测NAND Flash的状态,在启动某个操作后,应该检测R/nB信号以确定该操作是否完成、是否成功。

 

下面介绍这些寄存器:

①NFCONF:配置寄存器

        用来设置NAND Flash的时序参数,设置数据位宽,设置是否支持其他大小的页等。

②NFCONT:控制寄存器

        用来使能NAND Flash控制器、使能控制引脚信号nFCE、初始化ECC,锁定NAND Flash等功能

③NFCMD:命令寄存器

        用来发送Flash操作命令

④NFADDR:地址寄存器

        用来向Flash发送地址信号

⑤NFDATA:数据寄存器

        读写此寄存器启动对NAND Flash的读写数据操作

⑥NFSTAT:状态寄存器

        0:busy,1:ready

 

二、NAND Flash控制器操作实例:读Flash

1)读NAND Flash的步骤

①设置NFCONF

        在HCLK=100Mhz的情况下,TACLS=0,TWRPH0=3,TWRPH1=0,则

        NFCONF = 0x300

        使能NAND Flash控制器、禁止控制引脚信号nFCE,初始化ECC

        NFCONT = (1<<4) | (1<<1) | (1<<0)

②操作NAND Flash前,复位

        NFCONT &= ~(1<<1)        发出片选信号

        NFCMD = 0xff        reset命令

        然后循环查询NFSTAT位0,直到等于1,处于就绪态

        最后禁止片选信号,在实际使用时再使能

        NFCONT |= 0x2        禁止NAND Flash

③发出读命令

        NFCONT &= ~(1<<1)        发出片选信号

        NFCMD = 0        读命令

④发出地址信号

⑤循环查询NFSTAT,直到等于1

⑥连续读NFDATA寄存器,得到一页数据

⑦最后禁止NAND Flash片选信号

        NFCONT |= (1<<1)

 

 2)代码详解

本实例的目的是把一部分代码存放在NAND Flash地址4096之后,当程序启动后通过NAND Flash控制器读出代码,执行。

连接脚本 nand.lds

 

SECTIONS { 

  firtst   0x00000000 : { head.o init.o nand.o}

  second  0x30000000 : AT(4096) { main.o }

head.o init.o nand.o三个文件运行地址为0,生成的镜像文件偏移地址也为0

main.0的运行地址为0x30000000,生成的镜像文件偏移地址为4096

 

 

@******************************************************************************

@ File:head.s

@ 功能:设置SDRAM,将程序复制到SDRAM,然后跳到SDRAM继续执行

@******************************************************************************       

  

.text

.global _start

_start:

                                            @函数disable_watch_dog, memsetup, init_nand, nand_read_ll在init.c中定义

            ldr     sp, =4096               @设置堆栈 

            bl      disable_watch_dog       @关WATCH DOG

            bl      memsetup                @初始化SDRAM

            bl      nand_init               @初始化NAND Flash


                                            @将NAND Flash中地址4096开始的1024字节代码(main.c编译得到)复制到SDRAM中

                                            @nand_read_ll函数需要3个参数:

            ldr     r0,     =0x30000000     @1. 目标地址=0x30000000,这是SDRAM的起始地址

            mov     r1,     #4096           @2.  源地址   = 4096,连接的时候,main.c中的代码都存在NAND Flash地址4096开始处

            mov     r2,     #2048           @3.  复制长度= 2048(bytes),对于本实验的main.c,这是足够了

            bl      nand_read               @调用C函数nand_read


            ldr     sp, =0x34000000         @设置栈

            ldr     lr, =halt_loop          @设置返回地址

            ldr     pc, =main               @b指令和bl指令只能前后跳转32M的范围,所以这里使用向pc赋值的方法进行跳转

halt_loop:

            b       halt_loop

 

init.c 用于初始化操作
/* WOTCH DOG register */
#define  WTCON (*(volatile unsigned long *)0x53000000)
 
/* SDRAM regisers */
#define  MEM_CTL_BASE 0x48000000
 
void disable_watch_dog();
void memsetup();
 
/*上电后,WATCH DOG默认是开着的,要把它关掉 */
void disable_watch_dog()
{
WTCON = 0;
}
 
/* 设置控制SDRAM的13个寄存器 */
void memsetup()
{
int  i = 0;
unsigned long *p = (unsigned long *)MEM_CTL_BASE;
 
    /* SDRAM 13个寄存器的值 */
    unsigned long  const    mem_cfg_val[]={ 0x22011110,     //BWSCON
                                            0x00000700,     //BANKCON0
                                            0x00000700,     //BANKCON1
                                            0x00000700,     //BANKCON2
                                            0x00000700,     //BANKCON3  
                                            0x00000700,     //BANKCON4
                                            0x00000700,     //BANKCON5
                                            0x00018005,     //BANKCON6
                                            0x00018005,     //BANKCON7
                                            0x008C07A3,     //REFRESH
                                            0x000000B1,     //BANKSIZE
                                            0x00000030,     //MRSRB6
                                            0x00000030,     //MRSRB7
                                    };
 
for(; i < 13; i++)
p[i] = mem_cfg_val[i];
}
 
nand.c 用于操作nand flash
 
#define BUSY            1
 
#define NAND_SECTOR_SIZE_LP    2048        //K9F1G08使用2048+64列
#define NAND_BLOCK_MASK_LP     (NAND_SECTOR_SIZE_LP - 1)
 
typedef unsigned int S3C24X0_REG32;
 
typedef struct {
    S3C24X0_REG32   NFCONF;
    S3C24X0_REG32   NFCONT;
    S3C24X0_REG32   NFCMD;
    S3C24X0_REG32   NFADDR;
    S3C24X0_REG32   NFDATA;
    S3C24X0_REG32   NFMECCD0;
    S3C24X0_REG32   NFMECCD1;
    S3C24X0_REG32   NFSECCD;
    S3C24X0_REG32   NFSTAT;
    S3C24X0_REG32   NFESTAT0;
    S3C24X0_REG32   NFESTAT1;
    S3C24X0_REG32   NFMECC0;
    S3C24X0_REG32   NFMECC1;
    S3C24X0_REG32   NFSECC;
    S3C24X0_REG32   NFSBLK;
    S3C24X0_REG32   NFEBLK;
} S3C2440_NAND;        //此结构体存储操作NAND Flash相关寄存器
 
 
typedef struct {
    void (*nand_reset)(void);
    void (*wait_idle)(void);
    void (*nand_select_chip)(void);
    void (*nand_deselect_chip)(void);
    void (*write_cmd)(int cmd);
    void (*write_addr)(unsigned int addr);
    unsigned char (*read_data)(void);
}t_nand_chip;        //存储nand相关操作的函数地址
 
static S3C2440_NAND * s3c2440nand = (S3C2440_NAND *)0x4e000000;        //s2c2440nand控制器地址
 
static t_nand_chip nand_chip;
 
/* 供外部调用的函数 */
void nand_init(void);
void nand_read(unsigned char *buf, unsigned long start_addr, int size);
 
/* NAND Flash操作的总入口, 它们将调用S3C2440的相应函数 */
static void nand_reset(void);
static void wait_idle(void);
static void nand_select_chip(void);
static void nand_deselect_chip(void);
static void write_cmd(int cmd);
static void write_addr(unsigned int addr);
static unsigned char read_data(void);
 
/* S3C2440的NAND Flash处理函数 */
static void s3c2440_nand_reset(void);
static void s3c2440_wait_idle(void);
static void s3c2440_nand_select_chip(void);
static void s3c2440_nand_deselect_chip(void);
static void s3c2440_write_cmd(int cmd);
static void s3c2440_write_addr(unsigned int addr);
static unsigned char s3c2440_read_data(void);
 
/* S3C2440的NAND Flash操作函数 */
 
/* 复位 */
static void s3c2440_nand_reset(void)
{
    s3c2440_nand_select_chip();
    s3c2440_write_cmd(0xff);  // 复位命令
    s3c2440_wait_idle();
    s3c2440_nand_deselect_chip();
}
 
/* 等待NAND Flash就绪 */
static void s3c2440_wait_idle(void)
{
    int i;
    volatile unsigned char *p = (volatile unsigned char *)&s3c2440nand->NFSTAT;
    while(!(*p & BUSY))        //*p=1表示就绪,跳出循环
        for(i=0; i<10; i++);
}
 
/* 发出片选信号 */
static void s3c2440_nand_select_chip(void)
{
    int i;
    s3c2440nand->NFCONT &= ~(1<<1);
    for(i=0; i<10; i++);    
}
 
/* 取消片选信号 */
static void s3c2440_nand_deselect_chip(void)
{
    s3c2440nand->NFCONT |= (1<<1);
}
 
/* 发出命令 */
static void s3c2440_write_cmd(int cmd)
{
    volatile unsigned char *p = (volatile unsigned char *)&s3c2440nand->NFCMD;
    *p = cmd;
}
 
/* 发出地址 */
static void s3c2440_write_addr_lp(unsigned int addr)
{
int i;
volatile unsigned char *p = (volatile unsigned char *)&s3c2440nand->NFADDR;
int col, page;
 
col = addr & NAND_BLOCK_MASK_LP;        //取得列地址
page = addr / NAND_SECTOR_SIZE_LP;        //取得行地址
*p = col & 0xff; /* 列地址 A0~A7 */
for(i=0; i<10; i++);
*p = (col >> 8) & 0x0f; /* 列地址 A8~A11 */
for(i=0; i<10; i++);
*p = page & 0xff; /* 行地址 A12~A19 */
for(i=0; i<10; i++);
*p = (page >> 8) & 0xff; /* 行地址 A20~A27 */
for(i=0; i<10; i++);
*p = (page >> 16) & 0x03; /* 行地址 A28~A29 */
for(i=0; i<10; i++);
}
 
 
/* 读取数据 */
static unsigned char s3c2440_read_data(void)
{
    volatile unsigned char *p = (volatile unsigned char *)&s3c2440nand->NFDATA;
    return *p;
}
 
 
/* 在第一次使用NAND Flash前,复位一下NAND Flash */
static void nand_reset(void)
{
    nand_chip.nand_reset();
}
 
static void wait_idle(void)
{
    nand_chip.wait_idle();
}
 
static void nand_select_chip(void)
{
    int i;
    nand_chip.nand_select_chip();
    for(i=0; i<10; i++);
}
 
static void nand_deselect_chip(void)
{
    nand_chip.nand_deselect_chip();
}
 
static void write_cmd(int cmd)
{
    nand_chip.write_cmd(cmd);
}
static void write_addr(unsigned int addr)
{
    nand_chip.write_addr(addr);
}
 
static unsigned char read_data(void)
{
    return nand_chip.read_data();
}
 
 
/* 初始化NAND Flash */
void nand_init(void)
{
#define TACLS   0
#define TWRPH0  3
#define TWRPH1  0
        nand_chip.nand_reset         = s3c2440_nand_reset;
        nand_chip.wait_idle          = s3c2440_wait_idle;
        nand_chip.nand_select_chip   = s3c2440_nand_select_chip;
        nand_chip.nand_deselect_chip = s3c2440_nand_deselect_chip;
        nand_chip.write_cmd          = s3c2440_write_cmd;
        nand_chip.write_addr         = s3c2440_write_addr_lp;
        nand_chip.read_data          = s3c2440_read_data;
 
/* 设置时序 */
        s3c2440nand->NFCONF = (TACLS<<12)|(TWRPH0<<8)|(TWRPH1<<4);
        /* 使能NAND Flash控制器, 初始化ECC, 禁止片选 */
        s3c2440nand->NFCONT = (1<<4)|(1<<1)|(1<<0);
    
    /* 复位NAND Flash */
    nand_reset();
}
 
 
/* 读函数 用于把nand flash中代码复制到sdram中*/
void nand_read(unsigned char *buf, unsigned long start_addr, int size)
{
    int i, j;
 
    if ((start_addr & NAND_BLOCK_MASK_LP) || (size & NAND_BLOCK_MASK_LP)) {
        return ;    /* 地址或长度不对齐 */
    }
 
 
    /* 选中芯片 */
    nand_select_chip();
 
    for(i=start_addr; i < (start_addr + size);) {
      /* 发出READ命令 */
      write_cmd(0);
 
      /* 写地址 */
      write_addr(i);
      write_cmd(0x30);
      wait_idle();
 
 
      for(j=0; j < NAND_SECTOR_SIZE_LP; j++, i++) {
          *buf = read_data();
          buf++;
      }
    }
 
    /* 取消片选信号 */
    nand_deselect_chip();
    
    return ;
}
 
main.c 很简单,点灯
 
#define GPBCON (*(volatile unsigned long *)0x56000010)
#define GPBDAT (*(volatile unsigned long *)0x56000014)

#define GPB5_out (1<<(5*2))
#define GPB6_out (1<<(6*2))
#define GPB7_out (1<<(7*2))
#define GPB8_out (1<<(8*2))

void  wait(unsigned long dly)
{
for(; dly > 0; dly--);
}

int main(void)
{
unsigned long i = 0;
GPBCON = GPB5_out|GPB6_out|GPB7_out|GPB8_out; // 将LED1-4对应的GPB5/6/7/8四个引脚设为输出

GPBDAT = ~(1<<5) | ~(1<<7) | ~(1<<8);
while(1){
wait(30000);
GPBDAT = (~(i<<5)); // 根据i的值,点亮LED1-4
if(++i == 16)
i = 0;
}

return 0;
}
 
最后是Makefile
objs := head.o init.o nand.o main.o

nand.bin : $(objs)
arm-linux-ld -Tnand.lds -o nand_elf $^
arm-linux-objcopy -O binary -S nand_elf $@
arm-linux-objdump -D -m arm  nand_elf > nand.dis

%.o:%.c
arm-linux-gcc -Wall -c -O2 -o $@ $<

%.o:%.S
arm-linux-gcc -Wall -c -O2 -o $@ $<

clean:
rm -f  nand.dis nand.bin nand_elf *.o
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