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
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* 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
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信号名称
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信号描述
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IO[7..0]
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数据总线
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CE#
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片选信号(Chip Select)，低电平有效
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WE#
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写有效(Write Enable)，低电平表示当前总线操作是写操作
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RE#
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读有效(Read Enable)，低电平表示当前总线操作是读操作
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CLE
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命令锁存(Command Latch Enable)信号，写操作时给出此信号表示写命令
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ALE
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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
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WP#
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写保护(Write Protect)信号
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R/B
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忙(Read/Busy)信号
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2）K9F1G08功能结构图如下
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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：
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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
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I/O7
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I/O6
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I/O5
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I/O4
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I/O3
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I/O2
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I/O1
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I/O0
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第一个周期
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A7
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A6
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A5
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A4
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A3
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A2
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A1
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A0
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第二个周期
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A15
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A14
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A13
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A12
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A11
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A10
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A9
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A8
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第三个周期
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A23
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A22
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A21
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A20
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A19
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A18
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A17
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A16
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第四个周期
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A25
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A24
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* 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：
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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
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下图为K9F1G08的地址序列
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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
