ARM学习笔记－－NAND Flash控制器

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	忙(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64MB的NandFlash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64MB的NAND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 

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