ILD

NAND
作者：Herbert Yuan 邮箱：yuanjp89@163.com
发布时间：2017-10-15 站点：Inside Linux Development

NAND flash在嵌入式设备中作为ROM存储程序和数据。NAND Flash的显著特点是不支持XIP (Excute In Place)、存在坏块、数据不可靠，需要ECC等。本文介绍一款NAND Flash和控制器，并给出实战代码。


nand flash支持的操作包括读、写、擦除等。因为写的时候只能把1变成0。要想把0变成1，只能通过擦除。这也是nand flash在每次写之前需要擦除的原因。nand flash的读写单位是页(page)，擦除单位是块(block)。每个页还包括 spare数据区，通常用来存储ECC等。


1 K9F2G08U0C

页大小是(2K+64)Byte，每个块包含64页 (128K+4K)Byte，共有2048个块(256M+8M) x 8bit。页读写时间250us，块擦除时间2ms。在ECC的支持下可以达到100K次擦写周期。


引脚描述

Pin namedescription
I/O0-I/O7

Data Inputs/Ouputs

数据输入输出引脚。用于输入命令、地址和数据；读时，输出数据。

CE

Chip Enable

芯片使能引脚。

CLE

Command Latch Enable

指令锁存使能引脚。高电平时，在WE引脚的上升沿将指令锁存到指令寄存器。

ALE

Address Latch Enable

地址锁存使能引脚。高电平时，在WE的上升沿将地址锁存到地址寄存器。

RE

Read Enable

读使能引脚，用于串行数据输出控制，数据在RE的下降沿有效，同时内部列地址加1。

WE

Write Enable

写使能引脚，指令、地址和数据在WE引脚的上升沿锁存。

WP

Write Protect

写保护引脚，在电压过度阶段提供误擦写保护。

R/B

Ready/Busy Ouput

状态指示引脚，低电压表示正在program/erase or random read，高电平表示完成。

VccPower
Vss
Ground
N.CNo Connection


命令列表如下：

Function1st cycle2nd cycleAcceptable command during busy
Read00h30h
Read for Copy back00h35h
Read ID90h-
ResetFFh-
Page Program80h10h
Copy-Back Program85h10h
Two-Plane Page Program80h--11h81h-10h
Block Erase60hD0h
Random Data Input85h-
Random Data Output05hE0h
Read Status70h-
Read Status 2F1h-


出厂坏块 Initial invalid blocks

正常的块在出厂时被擦除为FFh（包括spare区）。出厂坏块不被擦除，但是第1页或第二页的spare数据区的第一个字节被置为非FFh。


读写操作错误 Error In Write Or Read Operation

在NAND的整个生命周期中，可能产生额外的坏块。在写或擦除时，必须检查状态，如果失败，执行必要的块替换。在读取时，必须校验ECC，并执行ECC correction。


ID表

读ID命令，读取5个字节，如下：

1st ByteMaker Code, DAh
2nd ByteDevice Code, 10h
3nd Byte

0:1 Internal Chip Number 00:1, 01:2, 10:4, 11:8

2:3 Cell Type, 00:2 Level cell, 01:4, 10:8, 11:16

4:5 Number of simulataneously programmed pages, 1,2,4,8

6    Interleave program between multiple chips, 0: no suport, 1: support

7    Cache program, 0: no support, 1: support

4th Byte

0:1 Page size, 1/2/4/8KB

2    Redundant area size, 0: 8bytes/512byte, 1: 16bytes/512bytes

4:5 Block size, 64/128/256/512KB

6    Organization, 0:x8, 1:x16

3,7 Serial access minimum, 00:50ns/30ns, 10:25ns, 01/11 reserved

5th Byte

2:3 Plane Number, 1/2/4/8

4:6 Plane size, 64Mb/128Mb/256Mb/512Mb/1Gb/2Gb/4Gb/8Gb


Page read

首先发出00h指令，然后发送5个周期的地址，然后发送30h指令，所选page 2112字节的数据将在40us内拷贝到数据寄存器，可以通过R/B引脚检测拷贝是否完成。之后数据就可以顺序访问，同时也支持随机访问该页内的数据。


Page program

通常一次写一个整页，但是也允许multiple partial page programming，页内的每个局部数据可以是4个字节到2112个字节，同一个页连续的局部页写不能超过4次，否则需要擦除才能再次写。

首先发出80h指令，然后发送地址和数据，然后发送10h开始执行写操作，读取R/B引脚检测写完成，然后发出70h指令，在读取状态数据，IO0为0，表示成功，1表示失败。


地址周期

读操作有5个地址周期，2个列地址周期，3个行地址周期。

Col Addr1Col. Addr2Row Addr1Row Addr2Row Add3
A0-A7A8-A11A12-A19A20-A27A28

列地址就是页内地址，12位列地址，则有4096个地址，0-2047是页内数据，2048-2111是oob数据。

行地址是页地址和块地址，一个块有64页，需要6位，所以A12-A17是块内的页地址。共有2048个块，需要11位，所以A18-A28是块地址。


2 NAND Flash Controller

要使用NAND Flash就需要按照其电路时序要求来输出电信号，这通常使用控制器来实现。下面是s3c2440的NAND Flash Controller。


只支持Software Moode，具有下列操作：

1. Writing to the command register = NAND flash command cycle

2. Writing to the address register = NAND flash address cycle

3. Writing to the data register = write cycle

4. Reading from the data register = read cycle

5. Reading main ECC register and Spare ECC registers = read cycle


Data register configuration

8-bit NAND Flash Memory Interface

NFDATA bit[7:0] 1st I/O[7:0]


ECC (ERROR CORRECTION CODE)

包含4个ECC模块，其中两个（一个用于data[7:0]，一个用于data[15:8]）用于最多2048字节的ECC Parity code generation。另外两个（一个用于data[7:0]，一个用于data[15:8]）用于最多16字节的ECC Parity code generation。


接口


下面是寄存器资料


1 NFCONF

地址：0x4E000000, R/W, nand flash configuration register, 复位：0x0000100x

控制BusWidth、AddrCycle、PageSize、AdvFlash、TWRPH1、TWRPH0、TACLS


2 NFCONT

地址：0x4E000004, R/W, nand flash control register, 复位：0x0384，这是个16位寄存器。

控制是否激活控制器、控制nFCE的值（接到CE），初始化ECC、main ECC lock、spare ECC lock、RB检测模式、RB是否产生中断、锁区域控制。


3 NFCMMD

地址：0x4E000008, R/W, nand flash command set register, 这是个8位寄存器。

写入命令。


4 NFADDR

地址：0x4E00000C, R/W, nand flash address set register, 这是个8位寄存器。

写入地址

5 NFDATA

地址：0x4E000010, R/W nand flash data register


6 NFMECCD0/1

地址：0x4e000014/8, main data erea ecc register

NFMECCD0: 1st and 2nd register for main data read

NFMECCD1: 3nd and 4th register for main data read


7 NFSECCD

地址： 0x4e00001c, spare area ecc register


8 NFSTAT

地址：0x4e000020, R/W, nand flash operation status register

RB状态


9 NFESTAT0/1

地址：0x4e000024/8 R/W nand flash ecc status register ofr I/O[7:0] I/O[15:8]


10 NFMECC0/1

地址：0x4e00002C/30 R, nand flash main data area ecc register for data[7:0] / data[15:8]


11 NFSECC

地址：0x4e000034 R nand flash spare area ecc register for I/O[15:0]


12 NFSBLK/NFEBLK

地址：0x4e000038/c R/W nand flash programmable start/end block address


3 实战

惯例，先展示代码：


init.c

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// watchdog
#define     WTCON           (*(volatile unsigned long *)0x53000000)
 
void disable_watchdog()
{
    WTCON = 0; 
}
 
void init_sdram()
{
    *(volatile unsigned long *)0x48000000 = 0x22011110;  // BWSCON
    *(volatile unsigned long *)0x48000004 = 0x00000700;  // BANKCON0
    *(volatile unsigned long *)0x48000008 = 0x00000700;  // BANKCON1
    *(volatile unsigned long *)0x4800000c = 0x00000700;  // BANKCON2
    *(volatile unsigned long *)0x48000010 = 0x00000700;  // BANKCON3
    *(volatile unsigned long *)0x48000014 = 0x00000700;  // BANKCON4
    *(volatile unsigned long *)0x48000018 = 0x00000700;  // BANKCON5
    *(volatile unsigned long *)0x4800001c = 0x00018005;  // BANKCON6
    *(volatile unsigned long *)0x48000020 = 0x00018005;  // BANKCON7
    *(volatile unsigned long *)0x48000024 = 0x008C07A3;  // REFRESH
    *(volatile unsigned long *)0x48000028 = 0x000000B1;  // BANKSIZE
    *(volatile unsigned long *)0x4800002c = 0x00000030;  // MRSRB6
    *(volatile unsigned long *)0x48000030 = 0x00000030;  // MRSRB7
}
 
typedef unsigned long uint32_t;
typedef unsigned char uint8_t;
 
struct NAND_REG
{
    uint32_t NFCONF;
    uint32_t NFCONT;
    uint8_t  NFCMMD;
    uint8_t  unused0[3];
    uint8_t  NFADDR;
    uint8_t  unused1[3];
    uint8_t  NFDATA;
    uint8_t  unused2[3];
    uint32_t NFMECCD0;
    uint32_t NFMECCD1;
    uint32_t NFSECCD;
    uint8_t  NFSTAT;
    uint8_t  unused3[3];
    uint32_t NFESTAT0;
    uint32_t NFESTAT1;
    uint32_t NFMECC0;
    uint32_t NFMECC1;
    uint32_t NFSECC;
    uint32_t NFSBLK;
    uint32_t NFEBLK;
};
 
volatile struct NAND_REG *s3c2440_nand = (struct NAND_REG *)0x4E000000; 
 
void nand_init()
{
#define TACLS   0
#define TWRPH0  3
#define TWRPH1  0
 
    s3c2440_nand->NFCONF = (TACLS<<12)|(TWRPH0<<8)|(TWRPH1<<4);
    s3c2440_nand->NFCONT = (1<<4)|(1<<1)|(1<<0);
}
 
static inline void nand_wait_idle()
{
    while ( !(s3c2440_nand->NFSTAT & 1))
        asm volatile ("nop");
}
 
static inline void nand_select_chip()
{
    s3c2440_nand->NFCONT &= ~(1<<1);
}
 
static inline void nand_deselect_chip()
{
    s3c2440_nand->NFCONT |= (1<<1);
}
 
static inline void nand_write_cmd(uint8_t cmd)
{
    s3c2440_nand->NFCMMD = cmd;
}
 
static inline void nand_write_addr(uint8_t addr)
{
    s3c2440_nand->NFADDR = addr;
}
 
static inline uint8_t nand_read_data()
{
    return s3c2440_nand->NFDATA;
}
 
// here is the api for K9F2G08U0C
// Page 2K + 64
// 64 pages per block
// total 2048 blocks
 
#define PAGES_PER_BLOCK     64
#define PAGE_SIZE           2048
#define PAGE_SPARE_SIZE     64
#define TOTAL_BLOCKS        2048
 
void nand_reset()
{
    nand_select_chip();
    nand_write_cmd(0xff);
    nand_wait_idle();
    nand_deselect_chip();
}
 
int nand_read_page(unsigned int block, unsigned int page, 
    unsigned char *buf, unsigned int off, unsigned int len)
{
    if (block >= TOTAL_BLOCKS || page > PAGES_PER_BLOCK)
        return -1;
 
    if (off >= PAGE_SIZE + PAGE_SPARE_SIZE
        || len > PAGE_SIZE + PAGE_SPARE_SIZE - off)
        return -1;
 
    nand_select_chip();
    nand_write_cmd(0x0);
    nand_write_addr((uint8_t)off);
    nand_write_addr((uint8_t)(off >> 8));
    nand_write_addr((uint8_t)(page|((block&3)<<6)));
    nand_write_addr((uint8_t)(block >> 2));
    nand_write_addr((uint8_t)(block >> 10));
    nand_write_cmd(0x30);
    nand_wait_idle();
 
    while ( len-- > 0)
        *buf++ = nand_read_data();
 
    return 1;
}
 
int nand_write_page()
{
    return 0;
}
 
int nand_erase_block()
{
    return 0;
}
 
void init()
{
    disable_watchdog();
    init_sdram();
    nand_init();
    nand_reset();
    nand_read_page(0, 2, (unsigned char *)0x30000000, 0, 2048);
}

nand_init()里面几个时间值是参考韦东山同学的。


start.S

1
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9
    .text
    .global _start
_start:
    ldr sp, =4096
    bl init
    ldr lr,=loop
    ldr pc,=main
loop:
    b loop

这里跳转到main没有用bl，因为bl是相对pc跳转，只能跳转32M的范围，这里远远超过了。


bare.lds

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
SECTIONS
{
    rom 0x00000000 :
    {
        start.o init.o
    }
 
    ram 0x30000000 : AT(4096)
    {
        main.o
    }
}


main.c和第一节的led亮灯代码一样，做跑马灯操作。


编译后，烧录到样机，可以看到跑马灯效果，说明我们的NAND读取是成功的。

参考

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Execute_in_place

[2] Samsung K9F2G08U0C Data sheet.

[3] Samsung s3c2440 Data sheet.

[4] S3C2440对Nand Flash操作和电路原理(基于K9F2G08U0A). 

http://www.cnblogs.com/idle_man/archive/2010/12/23/1915303.html

[5] 深度分析NandFlash—控制器参数TACLS、TWRPH0和TWRPH1的确定. 

http://blog.csdn.net/huangmc198907/article/details/10531937



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