s3c2440对nandflash的操作
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nandflash在对大容量的数据存储中发挥着重要的作用。相对于norflash，它具有一些优势，但它的一个劣势是很容易产生坏块，因此在使用nandflash时，往往要利用校验算法发现坏块并标注出来，以便以后不再使用该坏块。nandflash没有地址或数据总线，如果是8位nandflash，那么它只有8个IO口，这8个IO口用于传输命令、地址和数据。nandflash主要以page（页）为单位进行读写，以block（块）为单位进行擦除。每一页中又分为main区和spare区，main区用于正常数据的存储，spare区用于存储一些附加信息，如块好坏的标记、块的逻辑地址、页内数据的ECC校验和等。
三星公司是最主要的nandflash供应商，因此在它所开发的各类处理器中，实现对nandflash的支持就不足为奇了。s3c2440不仅具有nandflash的接口，而且还可以利用某些机制实现直接从nandflash启动并运行程序。本文只介绍如何对nandflash实现读、写、擦除等基本操作，不涉及nandflash启动程序的问题。
在这里，我们使用的nandflash为K9F2G08U0A，它是8位的nandflash。不同型号的nandflash的操作会有所不同，但硬件引脚基本相同，这给产品的开发带来了便利。因为不同型号的PCB板是一样的，只要更新一下软件就可以使用不同容量大小的nandflash。
K9F2G08U0A的一页为（2K＋64）字节（加号前面的2K表示的是main区容量，加号后面的64表示的是spare区容量），它的一块为64页，而整个设备包括了2048个块。这样算下来一共有2112M位容量，如果只算main区容量则有256M字节（即256M×8位）。要实现用8个IO口来要访问这么大的容量，K9F2G08U0A规定了用5个周期来实现。第一个周期访问的地址为A0~A7；第二个周期访问的地址为A8~A11，它作用在IO0~IO3上，而此时IO4~IO7必须为低电平；第三个周期访问的地址为A12~A19；第四个周期访问的地址为A20~A27；第五个周期访问的地址为A28，它作用在IO0上，而此时IO1~IO7必须为低电平。前两个周期传输的是列地址，后三个周期传输的是行地址。通过分析可知，列地址是用于寻址页内空间，行地址用于寻址页，如果要直接访问块，则需要从地址A18开始。
由于所有的命令、地址和数据全部从8位IO口传输，所以nandflash定义了一个命令集来完成各种操作。有的操作只需要一个命令（即一个周期）即可，而有的操作则需要两个命令（即两个周期）来实现。下面的宏定义为K9F2G08U0A的常用命令：
#define CMD_READ1 0x00 //页读命令周期1
#define CMD_READ2 0x30 //页读命令周期2
#define CMD_READID 0x90 //读ID命令
#define CMD_WRITE1 0x80 //页写命令周期1
#define CMD_WRITE2 0x10 //页写命令周期2
#define CMD_ERASE1 0x60 //块擦除命令周期1
#define CMD_ERASE2 0xd0 //块擦除命令周期2
#define CMD_STATUS 0x70 //读状态命令
#define CMD_RESET 0xff //复位
#define CMD_RANDOMREAD1 0x05 //随意读命令周期1
#define CMD_RANDOMREAD2 0xE0 //随意读命令周期2
#define CMD_RANDOMWRITE 0x85 //随意写命令
在这里，随意读命令和随意写命令可以实现在一页内任意地址地读写。读状态命令可以实现读取设备内的状态寄存器，通过该命令可以获知写操作或擦除操作是否完成（判断第6位），以及是否成功完成（判断第0位）。
下面介绍s3c2440的nandflash控制器。s3c2440支持8位或16位的每页大小为256字，512字节，1K字和2K字节的nandflash，这些配置是通过系统上电后相应引脚的高低电平来实现的。s3c2440还可以硬件产生ECC校验码，这为准确及时发现nandflash的坏块带来了方便。nandflash控制器的主要寄存器有NFCONF（nandflash配置寄存器），NFCONT（nandflash控制寄存器），NFCMMD（nandflash命令集寄存器），NFADDR（nandflash地址集寄存器），NFDATA（nandflash数据寄存器），NFMECCD0/1（nandflash的main区ECC寄存器），NFSECCD（nandflash的spare区ECC寄存器），NFSTAT（nandflash操作状态寄存器），NFESTAT0/1（nandflash的ECC状态寄存器），NFMECC0/1（nandflash用于数据的ECC寄存器），以及NFSECC（nandflash用于IO的ECC寄存器）。
NFCMMD，NFADDR和NFDATA分别用于传输命令，地址和数据，为了方便起见，我们可以定义一些宏定义用于完成上述操作：
#define NF_CMD(data) {rNFCMD = (data); } //传输命令
#define NF_ADDR(addr) {rNFADDR = (addr); } //传输地址
#define NF_RDDATA() (rNFDATA) //读32位数据
#define NF_RDDATA8() (rNFDATA8) //读8位数据
#define NF_WRDATA(data) {rNFDATA = (data); } //写32位数据
#define NF_WRDATA8(data) {rNFDATA8 = (data); } //写8位数据
其中rNFDATA8的定义为(*(volatile unsigned char *)0x4E000010)。
NFCONF主要用到了TACLS、TWRPH0、TWRPH1，这三个变量用于配置nandflash的时序。s3c2440的数据手册没有详细说明这三个变量的具体含义，但通过它所给出的时序图，我们可以看出，TACLS为CLE/ALE有效到nWE有效之间的持续时间，TWRPH0为nWE的有效持续时间，TWRPH1为nWE无效到CLE/ALE无效之间的持续时间，这些时间都是以HCLK为单位的（本文程序中的HCLK=100MHz）。通过查阅K9F2G08U0A的数据手册，我们可以找到并计算该nandflash与s3c2440相对应的时序：K9F2G08U0A中的tWP与TWRPH0相对应，tCLH与TWRPH1相对应，（tCLS－tWP）与TACLS相对应。K9F2G08U0A给出的都是最小时间，s3c2440只要满足它的最小时间即可，因此TACLS、TWRPH0、TWRPH1这三个变量取值大一些会更保险。在这里，这三个值分别取1，2和0。NFCONF的第0位表示的是外接的nandflash是8位IO还是16位IO，这里当然要选择8位的IO。NFCONT寄存器是另一个需要事先初始化的寄存器。它的第13位和第12位用于锁定配置，第8位到第10位用于nandflash的中断，第4位到第6位用于ECC的配置，第1位用于nandflash芯片的选取，第0位用于nandflash控制器的使能。另外，为了初始化nandflash，还需要配置GPACON寄存器，使它的第17位到第22位与nandflash芯片的控制引脚相对应。下面的程序实现了初始化nandflash控制器：
void NF_Init ( void )
{
rGPACON = (rGPACON &~(0x3f<<17)) | (0x3f<<17); //配置芯片引脚
//TACLS=1、TWRPH0=2、TWRPH1=0，8位IO
rNFCONF = (TACLS<<12)|(TWRPH0<<8)|(TWRPH1<<4)|(0<<0);
//非锁定，屏蔽nandflash中断，初始化ECC及锁定main区和spare区ECC，使能nandflash片选及控制器
rNFCONT = (0<<13)|(0<<12)|(0<<10)|(0<<9)|(0<<8)|(1<<6)|(1<<5)|(1<<4)|(1<<1)|(1<<0);
}
为了更好地应用ECC和使能nandflash片选，我们还需要一些宏定义：
#define NF_nFCE_L() {rNFCONT &= ~(1<<1); }
#define NF_CE_L() NF_nFCE_L() //打开nandflash片选
#define NF_nFCE_H() {rNFCONT |= (1<<1); }
#define NF_CE_H() NF_nFCE_H() //关闭nandflash片选
#define NF_RSTECC() {rNFCONT |= (1<<4); } //复位ECC
#define NF_MECC_UnLock() {rNFCONT &= ~(1<<5); } //解锁main区ECC
#define NF_MECC_Lock() {rNFCONT |= (1<<5); } //锁定main区ECC
#define NF_SECC_UnLock() {rNFCONT &= ~(1<<6); } //解锁spare区ECC
#define NF_SECC_Lock() {rNFCONT |= (1<<6); } //锁定spare区ECC
NFSTAT是另一个比较重要的寄存器，它的第0位可以用于判断nandflash是否在忙，第2位用于检测RnB引脚信号：
#define NF_WAITRB() {while(!(rNFSTAT&(1<<0)));} //等待nandflash不忙
#define NF_CLEAR_RB() {rNFSTAT |= (1<<2); } //清除RnB信号
#define NF_DETECT_RB() {while(!(rNFSTAT&(1<<2)));} //等待RnB信号变高，即不忙
下面就详细介绍K9F2G08U0A的基本操作，包括复位，读ID，页读、写数据，随意读、写数据，块擦除等。
复位操作最简单，只需写入复位命令即可：
static void rNF_Reset()
{
NF_CE_L(); //打开nandflash片选
NF_CLEAR_RB(); //清除RnB信号
NF_CMD(CMD_RESET); //写入复位命令
NF_DETECT_RB(); //等待RnB信号变高，即不忙
NF_CE_H(); //关闭nandflash片选
}
读取K9F2G08U0A芯片ID操作首先需要写入读ID命令，然后再写入0x00地址，就可以读取到一共五个周期的芯片ID，第一个周期为厂商ID，第二个周期为设备ID，第三个周期至第五个周期包括了一些具体的该芯片信息，这里就不多介绍：
static char rNF_ReadID()
{
char pMID;
char pDID;
char cyc3, cyc4, cyc5;
NF_nFCE_L(); //打开nandflash片选
NF_CLEAR_RB(); //清RnB信号
NF_CMD(CMD_READID); //读ID命令
NF_ADDR(0x0); //写0x00地址
//读五个周期的ID
pMID = NF_RDDATA8(); //厂商ID：0xEC
pDID = NF_RDDATA8(); //设备ID：0xDA
cyc3 = NF_RDDATA8(); //0x10
cyc4 = NF_RDDATA8(); //0x95
cyc5 = NF_RDDATA8(); //0x44
NF_nFCE_H(); //关闭nandflash片选
return (pDID);
}
下面介绍读操作，读操作是以页为单位进行的。如果在读取数据的过程中不进行ECC校验判断，则读操作比较简单，在写入读命令的两个周期之间写入要读取的页地址，然后读取数据即可。如果为了更准确地读取数据，则在读取完数据之后还要进行ECC校验判断，以确定所读取的数据是否正确。
在上文中我们已经介绍过，nandflash的每一页有两区：main区和spare区，main区用于存储正常的数据，spare区用于存储其他附加信息，其中就包括ECC校验码。当我们在写入数据的时候，我们就计算这一页数据的ECC校验码，然后把校验码存储到spare区的特定位置中，在下次读取这一页数据的时候，同样我们也计算ECC校验码，然后与spare区中的ECC校验码比较，如果一致则说明读取的数据正确，如果不一致则不正确。ECC的算法较为复杂，好在s3c2440能够硬件产生ECC校验码，这样就省去了不少的麻烦事。s3c2440即可以产生main区的ECC校验码，也可以产生spare区的ECC校验码。因为K9F2G08U0A是8位IO口，因此s3c2440共产生4个字节的main区ECC码和2个字节的spare区ECC码。在这里我们规定，在每一页的spare区的第0个地址到第3个地址存储main区ECC，第4个地址和第5个地址存储spare区ECC。产生ECC校验码的过程为：在读取或写入哪个区的数据之前，先解锁该区的ECC，以便产生该区的ECC。在读取或写入完数据之后，再锁定该区的ECC，这样系统就会把产生的ECC码保存到相应的寄存器中。main区的ECC保存到NFMECC0/1中（因为K9F2G08U0A是8位IO口，因此这里只用到了NFMECC0），spare区的ECC保存到NFSECC中。对于读操作来说，我们还要继续读取spare区的相应地址内容，已得到上次写操作时所存储的main区和spare区的ECC，并把这些数据分别放入NFMECCD0/1和NFSECCD的相应位置中。最后我们就可以通过读取NFESTAT0/1（因为K9F2G08U0A是8位IO口，因此这里只用到了NFESTAT0）中的低4位来判断读取的数据是否正确，其中第0位和第1位为main区指示错误，第2位和第3位为spare区指示错误。
下面就给出一段具体的页读操作程序：
U8 rNF_ReadPage(U32 page_number)
{
U32 i, mecc0, secc;
NF_RSTECC(); //复位ECC
NF_MECC_UnLock(); //解锁main区ECC
NF_nFCE_L(); //打开nandflash片选
NF_CLEAR_RB(); //清RnB信号
NF_CMD(CMD_READ1); //页读命令周期1
//写入5个地址周期
NF_ADDR(0x00); //列地址A0~A7
NF_ADDR(0x00); //列地址A8~A11
NF_ADDR((page_number) & 0xff); //行地址A12~A19
NF_ADDR((page_number >> 8) & 0xff); //行地址A20~A27
NF_ADDR((page_number >> 16) & 0xff); //行地址A28
NF_CMD(CMD_READ2); //页读命令周期2
NF_DETECT_RB(); //等待RnB信号变高，即不忙
//读取一页数据内容
for (i = 0; i < 2048; i++)
{
buffer[i] = NF_RDDATA8();
}
NF_MECC_Lock(); //锁定main区ECC值
NF_SECC_UnLock(); //解锁spare区ECC
mecc0=NF_RDDATA(); //读spare区的前4个地址内容，即第2048~2051地址，这4个字节为main区的ECC
//把读取到的main区的ECC校验码放入NFMECCD0/1的相应位置内
rNFMECCD0=((mecc0&0xff00)<<8)|(mecc0&0xff);
rNFMECCD1=((mecc0&0xff000000)>>8)|((mecc0&0xff0000)>>16);
NF_SECC_Lock(); //锁定spare区的ECC值
secc=NF_RDDATA(); //继续读spare区的4个地址内容，即第2052~2055地址，其中前2个字节为spare区的ECC值
//把读取到的spare区的ECC校验码放入NFSECCD的相应位置内
rNFSECCD=((secc&0xff00)<<8)|(secc&0xff);
NF_nFCE_H(); //关闭nandflash片选
//判断所读取到的数据是否正确
if ((rNFESTAT0&0xf) == 0x0)
return 0x66; //正确
else
return 0x44; //错误
}
这段程序是把某一页的内容读取到全局变量数组buffer中。该程序的输入参数直接就为K9F2G08U0A的第几页，例如我们要读取第128064页中的内容，可以调用该程序为：rNF_ReadPage(128064);。由于第128064页是第2001块中的第0页（128064＝2001×64＋0），所以为了更清楚地表示页与块之间的关系，也可以写为：rNF_ReadPage(2001*64);。
页写操作的大致流程为：在两个写命令周期之间分别写入页地址和数据，当然如果为了保证下次读取该数据时的正确性，还需要把main区的ECC值和spare区的ECC值写入到该页的spare区内。然后我们还需要读取状态寄存器，以判断这次写操作是否正确。下面就给出一段具体的页写操作程序，其中输入参数也是要写入数据到第几页：
U8 rNF_WritePage(U32 page_number)
{
U32 i, mecc0, secc;
U8 stat, temp;
temp = rNF_IsBadBlock(page_number>>6); //判断该块是否为坏块
if(temp == 0x33)
return 0x42; //是坏块，返回
NF_RSTECC(); //复位ECC
NF_MECC_UnLock(); //解锁main区的ECC
NF_nFCE_L(); //打开nandflash片选
NF_CLEAR_RB(); //清RnB信号
NF_CMD(CMD_WRITE1); //页写命令周期1
//写入5个地址周期
NF_ADDR(0x00); //列地址A0~A7
NF_ADDR(0x00); //列地址A8~A11
NF_ADDR((page_number) & 0xff); //行地址A12~A19
NF_ADDR((page_number >> 8) & 0xff); //行地址A20~A27
NF_ADDR((page_number >> 16) & 0xff); //行地址A28
//写入一页数据
for (i = 0; i < 2048; i++)
{
NF_WRDATA8((char)(i+6));
}
NF_MECC_Lock(); //锁定main区的ECC值
mecc0=rNFMECC0; //读取main区的ECC校验码
//把ECC校验码由字型转换为字节型，并保存到全局变量数组ECCBuf中
ECCBuf[0]=(U8)(mecc0&0xff);
ECCBuf[1]=(U8)((mecc0>>8) & 0xff);
ECCBuf[2]=(U8)((mecc0>>16) & 0xff);
ECCBuf[3]=(U8)((mecc0>>24) & 0xff);
NF_SECC_UnLock(); //解锁spare区的ECC
//把main区的ECC值写入到spare区的前4个字节地址内，即第2048~2051地址
for(i=0;i<4;i++)
{
NF_WRDATA8(ECCBuf[i]);
}
NF_SECC_Lock(); //锁定spare区的ECC值
secc=rNFSECC; //读取spare区的ECC校验码
//把ECC校验码保存到全局变量数组ECCBuf中
ECCBuf[4]=(U8)(secc&0xff);
ECCBuf[5]=(U8)((secc>>8) & 0xff);
//把spare区的ECC值继续写入到spare区的第2052~2053地址内
for(i=4;i<6;i++)
{
NF_WRDATA8(ECCBuf[i]);
}
NF_CMD(CMD_WRITE2); //页写命令周期2
delay(1000); //延时一段时间，以等待写操作完成
NF_CMD(CMD_STATUS); //读状态命令
//判断状态值的第6位是否为1，即是否在忙，该语句的作用与NF_DETECT_RB();相同
do{
stat = NF_RDDATA8();
}while(!(stat&0x40));
NF_nFCE_H(); //关闭nandflash片选
//判断状态值的第0位是否为0，为0则写操作正确，否则错误
if (stat & 0x1)
{
temp = rNF_MarkBadBlock(page_number>>6); //标注该页所在的块为坏块
if (temp == 0x21)
return 0x43 //标注坏块失败
else
return 0x44; //写操作失败
}
else
return 0x66; //写操作成功
}
该段程序先判断该页所在的坏是否为坏块，如果是则退出。在最后写操作失败后，还要标注该页所在的块为坏块，其中所用到的函数rNF_IsBadBlock和rNF_MarkBadBlock，我们在后面介绍。我们再总结一下该程序所返回数值的含义，0x42：表示该页所在的块为坏块；0x43：表示写操作失败，并且在标注该页所在的块为坏块时也失败；0x44：表示写操作失败，但是标注坏块成功；0x66：写操作成功。
擦除是以块为单位进行的，因此在写地址周期是，只需写三个行周期，并且要从A18开始写起。与写操作一样，在擦除结束前还要判断是否擦除操作成功，另外同样也存在需要判断是否为坏块以及要标注坏块的问题。下面就给出一段具体的块擦除操作程序：
U8 rNF_EraseBlock(U32 block_number)
{
char stat, temp;
temp = rNF_IsBadBlock(block_number); //判断该块是否为坏块
if(temp == 0x33)
return 0x42; //是坏块，返回
NF_nFCE_L(); //打开片选
NF_CLEAR_RB(); //清RnB信号
NF_CMD(CMD_ERASE1); //擦除命令周期1
//写入3个地址周期，从A18开始写起
NF_ADDR((block_number << 6) & 0xff); //行地址A18~A19
NF_ADDR((block_number >> 2) & 0xff); //行地址A20~A27
NF_ADDR((block_number >> 10) & 0xff); //行地址A28
NF_CMD(CMD_ERASE2); //擦除命令周期2
delay(1000); //延时一段时间
NF_CMD(CMD_STATUS); //读状态命令
//判断状态值的第6位是否为1，即是否在忙，该语句的作用与NF_DETECT_RB();相同
do{
stat = NF_RDDATA8();
}while(!(stat&0x40));
NF_nFCE_H(); //关闭nandflash片选
//判断状态值的第0位是否为0，为0则擦除操作正确，否则错误
if (stat & 0x1)
{
temp = rNF_MarkBadBlock(page_number>>6); //标注该块为坏块
if (temp == 0x21)
return 0x43 //标注坏块失败
else
return 0x44; //擦除操作失败
}
else
return 0x66; //擦除操作成功
}
该程序的输入参数为K9F2G08U0A的第几块，例如我们要擦除第2001块，则调用该函数为：rNF_EraseBlock(2001)。
K9F2G08U0A除 了提供了页读和页写功能外，还提供了页内地址随意读、写功能。页读和页写是从页的首地址开始读、写，而随意读、写实现了在一页范围内任意地址的读、写。随 意读操作是在页读操作后输入随意读命令和页内列地址，这样就可以读取到列地址所指定地址的数据。随意写操作是在页写操作的第二个页写命令周期前，输入随意 写命令和页内列地址，以及要写入的数据，这样就可以把数据写入到列地址所指定的地址内。下面两段程序实现了随意读和随意写功能，其中随意读程序的输入参数 分别为页地址和页内地址，输出参数为所读取到的数据，随意写程序的输入参数分别为页地址，页内地址，以及要写入的数据。
U8 rNF_RamdomRead(U32 page_number, U32 add)
{
NF_nFCE_L(); //打开nandflash片选
NF_CLEAR_RB(); //清RnB信号
NF_CMD(CMD_READ1); //页读命令周期1
//写入5个地址周期
NF_ADDR(0x00); //列地址A0~A7
NF_ADDR(0x00); //列地址A8~A11
NF_ADDR((page_number) & 0xff); //行地址A12~A19
NF_ADDR((page_number >> 8) & 0xff); //行地址A20~A27
NF_ADDR((page_number >> 16) & 0xff); //行地址A28
NF_CMD(CMD_READ2); //页读命令周期2
NF_DETECT_RB(); //等待RnB信号变高，即不忙
NF_CMD(CMD_RANDOMREAD1); //随意读命令周期1
//页内地址
NF_ADDR((char)(add&0xff)); //列地址A0~A7
NF_ADDR((char)((add>>8)&0x0f)); //列地址A8~A11
NF_CMD(CMD_RANDOMREAD2); //随意读命令周期2
return NF_RDDATA8(); //读取数据
}
U8 rNF_RamdomWrite(U32 page_number, U32 add, U8 dat)
{
U8 temp,stat;
NF_nFCE_L(); //打开nandflash片选
NF_CLEAR_RB(); //清RnB信号
NF_CMD(CMD_WRITE1); //页写命令周期1
//写入5个地址周期
NF_ADDR(0x00); //列地址A0~A7
NF_ADDR(0x00); //列地址A8~A11
NF_ADDR((page_number) & 0xff); //行地址A12~A19
NF_ADDR((page_number >> 8) & 0xff); //行地址A20~A27
NF_ADDR((page_number >> 16) & 0xff); //行地址A28
NF_CMD(CMD_RANDOMWRITE); //随意写命令
//页内地址
NF_ADDR((char)(add&0xff)); //列地址A0~A7
NF_ADDR((char)((add>>8)&0x0f)); //列地址A8~A11
NF_WRDATA8(dat); //写入数据
NF_CMD(CMD_WRITE2); //页写命令周期2
delay(1000); //延时一段时间
NF_CMD(CMD_STATUS); //读状态命令
//判断状态值的第6位是否为1，即是否在忙，该语句的作用与NF_DETECT_RB();相同
do{
stat = NF_RDDATA8();
}while(!(stat&0x40));
NF_nFCE_H(); //关闭nandflash片选
//判断状态值的第0位是否为0，为0则写操作正确，否则错误
if (stat & 0x1)
return 0x44; //失败
else
return 0x66; //成功
}
下面介绍上文中提到的判断坏块以及标注坏块的那两个程序：rNF_IsBadBlock和rNF_MarkBadBlock。在这里，我们定义在spare区的第6个地址（即每页的第2054地址）用来标注坏块，0x44表示该块为坏块。要判断坏块时，利用随意读命令来读取2054地址的内容是否为0x44，要标注坏块时，利用随意写命令来向2054地址写0x33。下面就给出这两个程序，它们的输入参数都为块地址，也就是即使仅仅一页出现问题，我们也标注整个块为坏块。
U8 rNF_IsBadBlock(U32 block)
{
return rNF_RamdomRead(block*64, 2054);
}
U8 rNF_MarkBadBlock(U32 block)
{
U8 result;
result = rNF_RamdomWrite(block*64, 2054, 0x33);
if(result == 0x44)
return 0x21; //写坏块标注失败
else
return 0x60; //写坏块标注成功
}
关于nandflash的基本操作就讲解到这里，当然nandflash还有一些其他复杂的操作，如逻辑地址与物理地址的转换，坏块的替代等，这些内容本文就不再介绍了