nand flash 原理简介

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<p>Fisrt part ：<br>
NAND flash和NOR flash的不同</p>
<p>NOR flash采用位读写，因为它具有sram的接口，有足够的引脚来寻址，可以很容易的存取其内部的每一个字节。NAND
flash使用复杂的I/O口来穿行地存取数据。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。NAND的读和写单位为512Byte的页，擦写单位为32页的
块。<br>
● NOR的读速度比NAND稍快一些。<br>
　　● NAND的写入速度比NOR快很多。<br>
　　● NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。<br>
　　● 大多数写入操作需要先进行擦除操作。<br>
　　● NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。<br>
在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持，在NAND器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序(MTD)，NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。<br>

---------摘抄自网上流传很广的《NAND 和 NOR flash的区别》</p>
<p>Second part：<br>
NAND Flash结构与驱动分析</p>
<p>一、NAND flash的物理组成<br>
NAND Flash 的数据是以bit的方式保存在memory cell，一般来说，一个cell 中只能存储一个bit。这些cell
以8个或者16个为单位，连成bit line，形成所谓的byte(x8)/word(x16)，这就是NAND
Device的位宽。这些Line会再组成Page，(NAND Flash 有多种结构，我使用的NAND Flash
是K9F1208,下面内容针对三星的K9F1208U0M)，每页528Bytes(512byte(Main
Area)+16byte(Spare
Area))，每32个page形成一个Block(32*528B)。具体一片flash上有多少个Block视需要所定。我所使用的三星
k9f1208U0M具有4096个block，故总容量为4096*（32*528B）=66MB，但是其中的2MB是用来保存ECC校验码等额外数据
的，故实际中可使用的为64MB。<br>
NAND flash以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据。按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址：<br>
Column Address：Starting Address of the Register.
翻成中文为列地址，地址的低8位<br>
Page Address ：页地址<br>
Block Address ：块地址<br>
对于NAND Flash来讲，地址和命令只能在I/O[7:0]上传递，数据宽度是8位。</p>
<p>二、NAND Flash地址的表示<br>
512byte 需要9bit来表示，对于528byte系列的NAND，这512byte被分成1st half Page
Register和2nd half Page Register，各自的访问由地址指针命令来选择，A[7:0]就是所谓的column
address（列地址），在进行擦除操作时不需要它，why？因为以块为单位擦除。32个page需要5bit来表示，占用A[13:9]，即该
page在块内的相对地址。A8这一位地址被用来设置512byte的1st half page还是2nd half
page，0表示1st，1表示2nd。Block的地址是由A14以上的bit来表示。<br>
例如64MB（512Mb）的NAND flash（实际中由于存在spare
area,故都大于这个值），共4096block，因此，需要12个bit来表示，即A[25:14]，如果是128MB(1Gbit)
的528byte/page的NAND Flash，则block address用A[26:14]表示。而page
address就是blcok address|page address in block NAND Flash 的地址表示为：
Block Address|Page Address in block|halfpage pointer|Column Address
地址传送顺序是Column Address,Page Address,Block Address。<br>
由于地址只能在I/O[7:0]上传递，因此，必须采用移位的方式进行。 例如，对于512Mbit x8的NAND
flash，地址范围是0~0x3FF_FFFF，只要是这个范围内的数值表示的地址都是有效的。 以NAND_ADDR 为例：<br>
第1 步是传递column address，就是NAND_ADDR[7:0]，不需移位即可传递到I/O[7:0]上，而halfpage
pointer即A8 是由操作指令决定的，即指令决定在哪个halfpage 上进行读<br>
写，而真正的A8 的值是不需程序员关心的。<br>
第2 步就是将NAND_ADDR 右移9位，将NAND_ADDR[16:9]传到I/O[7:0]上；<br>
第3 步将NAND_ADDR[24:17]放到I/O上；<br>
第4步需要将NAND_ADDR[25]放到I/O上；<br>
因此，整个地址传递过程需要4 步才能完成，即4-step addressing。 如果NAND Flash
的容量是32MB（256Mbit）以下，那么，block adress最高位只到bit24，因此寻址只需要3步。<br>
下 面，就x16 的NAND flash 器件稍微进行一下说明。 由于一个page 的main area
的容量为256word，仍相当于512byte。但是，这个时候没有所谓的1st halfpage 和2nd halfpage
之分了，所以，bit8就变得没有意义了，也就是这个时候 A8 完全不用管，地址传递仍然和x8 器件相同。除了，这一点之外，x16
的NAND使用方法和 x8 的使用方法完全相同。</p>
<p>三、NAND flash驱动解读<br>
以前由于做移植多一些，那些工作很简单（现在
看来），从来都不用去关心驱动里面到底怎么实现的，这几次面试才发现真的是学的太浅了，似乎我还在学习仰泳而那些牛人基本都属于潜水级的了，潜的不知有多
深。我对照着开发板所带的NAND flash驱动和k9f1208的芯片资料把这些代码通读了一遍，终于明白了NAND
flash的读写过程是如何实现的了。我所参考的驱动是mizi公司为三星芯片所写的，我看看了，大概和官方2.4.18内核的nand.c差不多。<br>

在 s3c2410处理器中有专门的NAND
flash控制器，他们位于SFR区，具体可以参看s3c2410用户手册。以下的这些代码均可以在vivi或者kernel里面找到，文中会标明程序出
自何处。在vivi中，有关NAND
flash的驱动都在driver/mtd/nand/下，该目录中包含的源文件：smc_core.c是NAND
flash的主要驱动。<br>
NAND flash 芯片定义了一个很长的结构，这个结构中包含了操作NAND
flash的函数和一些必要的变量（include/mtd/nand.h）。<br>
struct nand_chip {<br>
#ifdef
CONFIG_MTD_NANDY<br>

void
(*hwcontrol)(int cmd);<br>
void
(*write_cmd)(u_char val);<br>
void
(*write_addr)(u_char val);<br>
u_char
(*read_data)(void);<br>
void
(*write_data)(u_char val);<br>
void
(*wait_for_ready)(void);<br>
int
page_shift;<br>
u_char
*data_buf;<br>
u_char
*data_cache;<br>

int
cache_page;<br>
struct
nand_smc_dev *dev;<br>
u_char
spare[SMC_OOB_SIZE];<br>
#else<br>
……<br>
#ifdef CONFIG_MTD_NAND_ECC<br>
u_char
ecc_code_buf[6];<br>
u_char
reserved[2];<br>
#endif<br>
#endif<br>
};<br>
纵观对NAND flash的各种操作（read、write、erase），无外乎如下几种操作：<br>
1．选择flash
nand_select()<br>
2．发送命令
nand_command()<br>
3．进行相应操作 read，write……<br>
4．反选NAND flash
nand_deselect()</p>
<p>下面是以上四步的实现代码：<br>
1、选择NAND flash<br>
#define nand_select()
this-&gt;hwcontrol(NAND_CTL_SETNCE); /<br>

nand_command(mtd, NAND_CMD_RESET, -1, -1); /<br>

udelay (10);<br>
hwcontrol(NAND_CTL_SETNCE) 的作用是设置2410的NAND FLASH CONFIGURATION
(NFCONF) REGISTER的NAND Flash Memory chip
enable位为0，这位寄存器在自动重启后就被系统自动清零。如果要访问NAND flash的内存，这位必须置1。<br>
nand_command(mtd, NAND_CMD_RESET, -1,
-1)；向flash发送命令，此命令为reset，即为重置NAND flash。<br>
然后是10us的延迟，给flash个反应时间。<br>
2、发送命令<br>
Nand_command()同样在smc_core.c中实现。NAND flash的命令有如下几种：</p>
<p>
命令
命令值
描述<br>
NAND_CMD_READ0
0
读操作<br>
NAND_CMD_READ1
1
读操作<br>
NAND_CMD_PAGEPROG
0x10
页编程操作<br>
NAND_CMD_READOOB
0x50
读写OOB<br>
NAND_CMD_ERASE1
0x60
读写操作<br>
NAND_CMD_STATUS
0x70
读取状态<br>
NAND_CMD_STATUS_MULTI
0x71
读取状态<br>
NAND_CMD_SEQIN
0x80
写操作<br>
NAND_CMD_READID
0x90
读Flash ID号<br>
NAND_CMD_ERASE2
0xd0
擦写操作<br>
NAND_CMD_RESET
oxff
复位操作</p>
<p>按照程序的注释，可以将该函数的实现分为如下几步：<br>
1、Begin command latch cycle<br>
实现代码：<br>
this-&gt;hwcontrol(NAND_CTL_SETCLE);<br>
this-&gt;hwcontrol(NAND_CTL_DAT_OUT);<br>
找到第二条语句的定义，发现什么都么做，不解!!希望达人解答。我猜想可能是一个数据读出的使能操作，允许数据读出。<br>
Command Latch Enable(CLE) and Address Latch Enable(ALE) are used to
multiplex command and address respectively, via the I/O pins. The
CLE input controls the path activation for commands sent to the
command register. When active high, commands are latched into the
command register through the I/O ports on the rising edge of the
nWE signal. 看了这段英文相信对第一条语句的作用已经十分清楚了，他就是用来控制向命令寄存(COMMAND SET
(NFCMD) REGISTER)发送命令的。<br>
2、 Write out the command to the device<br>
这部分对于不同的命令来说，操作的步骤也不太相同，如果为写操作，那么还有根据flash不同的容量决定操作步骤，具体可以参看代码。如果为其他命令，那么就是简单的一行：<br>

this-&gt;write_cmd (command);<br>
将命令直接想到命令寄存器（NFCMD[7:0]）中。<br>
3、 Set ALE and clear CLE to start address cycle &amp;
Serially input address<br>
1中已经提到了ALE和CLE的作用，现在开始发送地址。<br>
实现代码：<br>
this-&gt;hwcontrol(NAND_CTL_CLRCLE); // clear the
command latch enable<br>
this-&gt;hwcontrol(NAND_CTL_SETALE); // set the address
latch enable<br>
然后按位操作，是用函数write_addr()将地址写到NAND FLASH ADDRESS SET (NFADDR)
REGISTER中。<br>
4、 Latch in address<br>
实现代码：<br>
this-&gt;hwcontrol(NAND_CTL_CLRALE);<br>
this-&gt;hwcontrol(NAND_CTL_DAT_IN);<br>
地址发送完毕，清楚ALE。<br>
5、 Pause for 15us<br>
我使用的VIVI中，使用udelay (15)延时15us，但这个时间会因NAND Flash的不同而不同。<br>
三、Operation<br>
根据函数的不同，操作部分会不一样，但是主要的是对NAND FLASH DATA (NFDATA)
REGISTER的操作，或写（编程）或者读。通过读或写函数的参数来返回或传递读出的值或写入的值。写得操作通常比较麻烦，他要将写到flash的内容
重新读出后进行ECC校验，如果数据正确则在重新真正的写（编程），如果错误，则将数据写入flash的另一个块。读和写都是以页为单位进行操作。而擦除
则以块为单位，三个周期发送完地址。擦除完毕后同样需要进行检察以确定是否擦除成功。<br>
四、De-select the NAND device<br>
实现代码：<br>
#define nand_deselect()
this-&gt;hwcontrol(NAND_CTL_CLRNCE);<br>
反 选flash吧，不知这样叫正确与否，跟select the NAND
device相反，亦即使用完后将使能flash位清0，代码是NFCONF位于0x4e00_0000的位置（NFCONF |=
NFCONF_nFCE_HIGH;），有兴趣的可以读读代码，看看这是怎么实现的，我的感觉就是关于寄存器的清置读起来都比较晕。</p>
<p>好了，到此flash操作的框架基本完成。</p>
</div>