NAND Flash的驱动程序设计

引言

当前各类嵌入式系统开发设计中，存储模块设计是不可或缺的重要方面。NOR和 NAND是目前市场上两种主要的非易失闪存技术。NOR Flash存储器的容量较小、写入速度较慢，但因其随机读取速度快，因此在嵌入式系统中，常用于程序代码的存储。与NOR相比,NAND闪存的优点是容量大,但其速度较慢,因为它的I/O端口只有8或16个,要完成地址和数据的传输就必须让这些信号轮流传送。NAND型Flash具有极高的单元密度,容量可以比较大,价格相对便宜。

本文以三星公司的 K9F2808UOB芯片为例,介绍了NAND Flash的接口电路与驱动的设计方法。文中介绍了开发NAND Flash驱动基本原理，意在简化嵌入式系统开发过程。

1  NAND Flash工作原理

S3C2410板的NAND Flash支持由两部分组成：集成在S3C2410 CPU上的NAND Flash控制器
和NAND Flash存储芯片。要访问NAND Flash中的数据,必须通过NAND Flash控制器发送命令才能完成。所以, NAND Flash相当于S3C2410的一个外设,并不位于它的内存地址区。

1.1  芯片内部存储布局及存储操作特点

一片NAND Flash为一个设备, 其数据存储分层为：1设备=4 096块；1块=32页;1页=528字节=数据块大小(512字节)+OOB块大小(16字节)。在每一页中，最后16字节（又称 OOB，Out?of?Band）用于NAND Flash命令执行完后设置状态用，剩余512字节又分为前半部分和后半部分。可以通过NAND Flash命令00h/01h/50h分别对前半部、后半部、OOB进行定位，通过NAND Flash内置的指针指向各自的首地址。

存储操作特点有： 擦除操作的最小单位是块；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(擦除即是将相应块的位全部变为1)；OOB部分的第6字节(即517字节)标志是否是坏块，值为FF时不是坏块，否则为坏块。除OOB第6字节外，通常至少把OOB的前3字节用来存放NAND Flash硬件ECC码。

1.2  NAND Flash接口电路

首先介绍开发板的硬件设计，图1为NAND Flash接口电路。其中开关SW的1、2连接时R/B表示准备好/忙，2、3连接时nWAIT可用于增加读/写访问的额外等待周期。在S3C2410处理器中已经集成了NAND Flash控制器，图2为微控制器与NAND Flash连接的方式。


图1  NAND Flash接口电路

1.3  控制器工作原理

NAND Flash控制器在其专用寄存器区(SFR)地址空间中映射有属于自己的特殊功能寄存器，就是通过将NAND Flash芯片的内设命令写到其特殊功能寄存器中，从而实现对NAND Flash芯片读、检验和编程控制。特殊功能寄存器有：NFCONF、NFCMD、NFADDR、NFDATA、NFSTAT、NFECC。


图2  NAND Flash与S3C2410连接电路

2  Flash烧写程序原理及结构

基本原理：将在SDRAM中的一段存储区域中的数据写到NAND Flash存储空间中。烧写程序在纵向上分三层完成。第一层: 主烧写函数，将SDRAM中一段存储区域的数据写到NAND Flash存储空间中。第二层: 该层提供对NAND Flash进行操作的页读、写及块擦除等函数。第三层：为第二层提供具体NAND Flash控制器中对特殊功能寄存器进行操作的核心函数，该层也是真正将数据在SDRAM和NAND Flash之间实现传送的函数。其中第二层为驱动程序的设计关键所在，下面对该层的读、写(又称编程)、擦除功能编码进行详细介绍。

2.1  NAND Flash Read

功能：读数据操作以页为单位,读数据时首先写入读数据命令00H,然后输入要读取页的地址,接着从数据寄存器中读取数据,最后进行ECC校验。

参数说明：block，块号；page，页号；buffer，指向将要读取到内存中的起始位置；返回值1，读成功，返回值0：读失败。

static int NF_ReadPage(unsigned int block, unsigned int page, unsigned char *buffer){
　　NF_RSTECC(); /* 初始化 ECC */
　　 NF_nFCE_L(); /* 片选NAND Flash芯片*/
　　NF_CMD(0x00); /* 从A区开始读 *//* A0~A7(列地址) */
　　NF_ADDR(0); /* A9A16(页地址) */
　　 NF_ADDR(blockPage&0xff); /* A17A24,(页地址) */
　　 NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff);/* A25, (页地址) */
　　 NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);/* 等待NAND Flash处于再准备状态 */
　　 ReadPage();/* 读整个页, 512字节 */
　　ReadECC();/* 读取ECC码 */
　　 ReadOOB();/* 读取该页的OOB块 *//* 取消NAND Flash 选中*/
　　NF_nFCE_H();/* 校验ECC码, 并返回 */
　　Return (checkEcc())}

2.2  NAND Flash Program

功能：对页进行编程命令, 用于写操作。

命令代码：首先写入00h(A区)/01h(B区)/05h(C区), 表示写入那个区; 再写入80h开始编程模式(写入模式)，接下来写入地址和数据; 最后写入10h表示编程结束。图3为程序流程图。


图3  写程序流程

参数说明：block，块号；page，页号；buffer，指向内存中待写入NAND Flash中的数据起始位置；返回值0，写错误，返回值1，写成功。

static int NF_WritePage(unsigned int block, unsigned int page, unsigned char *buffer){
　　NF_RSTECC(); /* 初始化 ECC */
　　 NF_nFCE_L(); /* 片选NAND Flash芯片*/
　　NF_CMD(0x0); /* 从A区开始写 */
　　 NF_CMD(0x80); /* 写第一条命令 *//* A0~A7(列地址) */
　　NF_ADDR(0);/* A9A16(页地址) */
　　NF_ADDR(blockPage&0xff);/* A17A24(页地址) */
　　 NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff); /* A25(页地址) */
　　 NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);/* 写页为512B到NAND Flash芯片 */
　　 WRDATA(); /*OOB一共16字节，每一个字节存放什么由程序员自己定义, 在Byte0 Byte2存ECC检验码，Byte6 存放坏块标志*/
　　WRDATA(); /* 写该页的OOB数据块 */
　　CMD(0x10); /* 结束写命令 */
　　WAITRB();/* 等待NAND Flash处于准备状态 *//* 发送读状态命令给NAND Flash */
　　 CMD(0x70);
　　if (RDDATA()&0x1) { /*如果写有错, 则标示为坏块,取消NAND Flash 选中*/
　　MarkBadBlock(block);
　　return 0;
　　} else { /* 正常退出， 取消NAND Flash 选中*/
　　return 1;}

2.3  NAND Flash Erase

功能：块擦除命令。

命令代码：首先写入60h进入擦写模式，然后输入块地址，接下来写入D0h, 表示擦写结束。

参数说明：block，块号；返回值0，擦除错误（若是坏块直接返回0；若擦除出现错误则标记为坏块然后返回0），返回值1，成功擦除。

static int NF_EraseBlock(unsigned int block){/* 如果该块是坏块, 则返回 */
　　 if(NF_IsBadBlock(block)) return 0;
　　NF_nFCE_L(); /* 片选NAND Flash芯片*/
　　NF_CMD(0x60); /* 设置擦写模式 *//* A9A16(Page Address) , 是基于块擦除*/
　　 NF_ADDR(blockPage&0xff);
　　 NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff); /* A25(Page Address) */
　　 NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff); NF_CMD(0xd0); WAITRB();CMD(0x70);
　　if(RDDATA()&0x1){/*如有错,标为坏块,取消Flash选中*/
　　MarkBadBlock(block);
　　return 0;
　　} else { /* 退出， 取消Flash 选中*/
　　return 1;}