NAND芯片的读写及ECC检验软硬件实现

第一节概论
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。
s3c2440内部集成有内部sram（steppingstone），当选择从nand flash启动的时候，nand flash的前4k代码将会自动copy到内部sram中后运行。
（一）nand flash控制器的特性：
1、支持读/写/编程 NAND FLASH内存
2、系统复位后nand flash的前4k代码自动copy到内部sram，copy完  成后从sram启动，此时内部sram被映射为nGCS0。（当OM[1：0]=    00时使能NAND FLASH 启动模式）
3、支持硬件ECC校验
4、系统启动后内部ram可以用做其他的用途。
（二）操作nand flash方法
1、设置nand flash配置寄存器NFCONF
2、向命令寄存器NFCMD写入操作命令
3、向地址寄存器NFADDR写入地址
4、读/写数据前要读取状态寄存器NFSTAT来判断nand flash是否处于忙状态。
（三）ECC奇偶检验
S3C2440在读/写操作时，自动生成2048字节的奇偶校验码。
nand flash的页为2048B。在读写的时候每页会产生4个bit大小的ECC校验码。
28bit ECC校验码=22bit 线校验码+6bit列校验码
ECC产生模块执行以下步骤：
1：当MCU写数据到NAND时，ECC产生模块生成ECC码。
2：当MCU从NAND读数据时，ECC产生模块生成ECC码同时用户程序将它与先前写入时产生的ECC码作比较。
在自动引导模式下，不进行ECC检测。因此，NAND FLASH的前4KB应确保不能有位错误（一般NAND FLASH厂家都确保）。
（四）坏块管理
　  由于NAND Flash的工艺不能保证NAND的Memory Array在其生命周期中保持性能的可靠，因此，在NAND的生产中及使用过程中会产生坏块。坏块的特性是：当编程/擦除这个块时，不能将某些位拉高，这会造成Page Program和Block Erase操作时的错误，相应地反映到Status Register的相应位。
（1） 固有坏块，这是生产过程中产生的坏块，一般芯片原厂都会在出厂时都会将坏块第一个page的spare area的第6个bit标记为不等于0xff的值。
　  （2） 使用坏块，这是在NAND Flash使用过程中，如果Block Erase或者Page Program错误，就可以简单地将这个块作为坏块来处理，这个时候需要把坏块标记起来。为了和固有坏块信息保持一致，将新发现的坏块的第一个page的 spare area的第6个Bit标记为非0xff的值。
    （3）坏块管理
　   根据上面的这些叙述，可以了解NAND Flash出厂时在spare area中已经反映出了坏块信息，因此，如果在擦除一个块之前，一定要先check一下spare area的第6个bit是否是0xff，如果是就证明这是一个好块，可以擦除；如果是非0xff，那么就不能擦除。
当然，这样处理可能会犯一个错误―――“错杀伪坏块”，因为在芯片操作过程中可能由于电压不稳定等偶然因素会造成NAND操作的错误。但是，为了数据的可靠性及软件设计的简单化，我们就要奉行“蒋委员长”的“宁可错杀一千，也决不放过一个”的宗旨。
    （4）需要对前面由于Page Program错误发现的坏块进行一下特别说明。如果在对一个块的某个page进行编程的时候发生了错误就要把这个块标记为坏块，首先就要把其他好的page里面的内容备份到另外一个空的好块里面，然后，把这个块标记为坏块。
    当然，这可能会犯“错杀”之误，一个补救的办法，就是在进行完页备份之后，再将这个块擦除一遍，如果Block Erase发生错误，那就证明这个块是个真正的坏块，那就毫不犹豫地将它打个“戳”吧！
　  （2）可能有人会问，为什么要使用spare area的第六个bit作为坏块标记。这是NAND Flash生产商的默认约定。
第二节 NAND寄存器设置说明
对NAND数据的读写主要通过NAND寄存器来实现，下面介绍其主要的寄存器
一、NFCONF寄存器
TACLS        [13：12]        TACLS持续时间设置， 取值范围0~3，hclk*tacls
twrph0        [10：8]        twrph0持续时间设置，取值范围0~7 ，hclk*(twrph0+1)
twrph1        [6：4]        twrph1持续时间设置，取值范围0~7 ，hclk*(twrph1+1)
Advflash（只读）        [3]        CPU自动加载NAND前4K内容时
此位在系统复位或唤醒期间被NCON0引脚决定
0：256/512页大小
1：1024/2048页大小
Pagesize(只读)        [2]        CPU自动加载NAND前4K内容时
当Advflash＝0
  0：256 1：512
当Advflash＝1
  0：1024 1：2048
此位在系统复位或唤醒期间被GPG13引脚决定启用后GPG13可以作为常规端口或外部中断输入使用
addrCycle(只读)        [1]        CPU自动加载NAND前4K内容时
当Advflash＝0
  0：3个周期 1：4个周期
当Advflash＝1
  0：4个周期 1：5个周期
此位在系统复位或唤醒期间被GPG14引脚决定
启用后GPG14可以作为常规端口或外部中断输入使用
Buswidth(读/写)        [0]        CPU自动加载NAND前4K内容时和常规读取时总线宽度
0：8bit 1:16bit
此位在系统复位或唤醒期间被GPG15引脚决定
启用后GPG15可以作为常规端口或外部中断输入使用
查看该寄存器定义，我们主要对NAND时序参数TACLS、TWRPH0、TWRPH1进行设置，这三个参数见下面时序图
TA CL S：表示CLE/ALE命令地址锁定信号建立后到nWE信号建立时间(setup time)。
TWRPH0：表示nWE的持续时间。
TWRPH1：表示nWE锁存结束后CLE/ALE维持时间(hold time)。

下面，我们看看K9F2G08时序时间，因为HCLK为100MHZ，所以一个clock为10ns

根据上面时序时间，我们可以保守取值TACLS=1,TWRPH1=0,TWRPH0=twp=4
ldr r0,=NFCONF
ldr r1,=(1<<12)|(4<<8)|(0<<4)|(0<<0)；表8位I/O端口
strh r1,[r0]
二、NFCONT寄存器
Lock-tight        [13]        Lock-tight配置
0：禁止1：启用
以前，此位设置为1，不能清除，唯一在复位和唤醒时能够使此位无效（软件不能清除）
当设置为1时，范围为NFSBLK(0X4E000038)到NFEBLK(0X4E00003C)-1不被锁定，在这范围之外，写和擦除命令是无效，只有读命令是允许的。
当你试图写或擦除锁定区域，违规存取将发生，NFSTAT[3]被设置
NFSBLK和NFEBLK相同，全部区域将被锁定
Soft-lock        [12]        Soft-lock配置
0：禁止1：启用
软件锁定能在任何时间被软件修改
当设置为1时，范围为NFSBLK(0X4E000038)到NFEBLK(0X4E00003C)-1不被锁定，在这范围之外，写和擦除命令是无效，只有读命令是允许的。
当你试图写或擦除锁定区域，违规存取将发生，NFSTAT[3]被设置
NFSBLK和NFEBLK相同，全部区域将被锁定
EnblllegalAccInt        [10]        0:禁止1：允许中断
当CPU试图编程或擦除锁定区域时（NFSBLK(0X4E000038)到NFEBLK(0X4E00003C)-1）
EnbRnBINT        [9]        RnB状态输入信号转换成中断信号
0：禁止1：允许
RnB_TransMode        [8]        RnB转换检测信号设置
0：上升沿 1：下除沿
Reserved        [7]        保留
SpareECCLock        [6]        锁定SPARE纠码区域
0：不锁定1：锁定
备用纠码区域状态在NFSECC（0x4e000034）同下
ManiECCLock        [5]        锁定MAIN纠码区域
0：不锁定 1：锁定
主纠码区域状态在NFMECC0/1(0X4E00002C/30)（即当启用ECC功能及锁定ECC时，数据产生的ECC奇偶码存放在NFMECC0/1寄存器中）
InitECC        [4]（只写）        初始化ECC编码器
1：初始化ECC编码器
Reserved        [3:2]        保留
Reg_nCE        [1]        NAND Flash nFCE信号控制
0：强制nFCE信号为低：（允许片选信号）
1：强制nFCE信号为高：（禁止片选信号）
在启动期间，其值自动控制
其值在MODE位为1时有效
MODE        [0]        NAND Flash操作模式
0：不使用
1：使用
ldr r0,=NFCONT
        ldr r1,=(0<<13)|(0<<12)|(0<<10)|(0<<9)|(0<<8)|(1<<6)|(1<<5)|(1<<4)|(1<<1)|(1<<0)
        strh r1,[r0]
     锁定MAIN及SPACE区域ECC，初始化ECC,启用NAND功能，禁止片选信号
三、NFCMD寄存器
NAND命令设置寄存器
Reserved        [15:8]        保留
NFCMMD        [7:0]        NAND控制命令值
四、NFADDR寄存器
NAND地址设置寄存器
Reserved        [15:8]        保留
NFADDR        [7:0]        NAND地址设置值
五、NFDATA寄存器
NAND数据读写寄存器
NFDATA        [31:0]        NAND读或编程数据
六、NFSTAT寄存器
NAND操作状态寄存器
Reserved        [7:4]        保留，
IIIegalAccess        [3]        一旦软件锁定或LOCK-tight使能？
RnB_TransDetect        [2]        当RnB由低向高电平转变是，该位被设置并发出中断，如果中断允许，要清除该位向该位写1
0：电平转换未检测
1：电平转换检测
Nce(只读)        [1]        NCE输出信号状态
RNB(只读)        [0]        Rnb输入信号状态
0：NAND状态正忙
1：NAND状态准备好操作
第三节K9F2G08NAND编程
TQ2440是三星生产的K9F2G08，容量为256MB。下观就以它为例进行介绍。

该芯片为48引脚，有三种封装，其外围引脚较少，这样就方便和S3C2440的硬件连接，即方便设计电路，又可以减少占用总线资源。具体的引脚见手册的第8页， 

X-Buffers Latches & Decoders：用于产生行地址；
?  Y-Buffers Latches & Decoders：用于产生列地址；
?  Command Register：用于命令字的操作；
?  Control Logic & High Voltage Generator：控制逻辑及产生Flash所需的高压；
?  Nand Flash　Array：存储部件；
?  Page Register & S/A ：页寄存器，当读、写页时，会将数据先读入或写入此寄存器，大小为2048+64　B。
下图为NAND　FLASH的存储单元组织结构图：

K9F2G08容量为256MB，分为131072行（页），2112 x 8列。每页大小为2048字节，另外有64字节的额外空间，这64字节的空间的列地址为2048—2111。
命令、地址、数据都通过8个I/O口输入/输出，这种形式减少了芯片的引脚个数，并使得系统很容易升级到更大的容量，写入命令、地址或数据时，都需要将WE#、CE#信号同时拉低。数据在WE#信号的上升沿被锁存，其中CLE为命令锁存信号、ALE为地址锁存信号。整个芯片为（256+8）MB，因此，需要29根地址线来寻址，这样，如果我们以字节为单位发出寻址信号，总共需要5个周期，其中2周期列地址信号，3周期的行地址信号。见下图。

地址疑惑：我们知道，K9F2G08容量为256M，故其需要28位地址进行寻址，每一页容量为2K，需11位地址，共有131072行，需要地址17位，页和行地址相加为28位正好寻址256M,，而上表中用的地址为29位，再看看页地址[A0~A11]12位，可寻址空间为4K，行地址[A12~A28]17位，可寻址空间为131072行，显然页地址多出一位，其寻址空间扩大了一倍。当我们考虑地址[0x800=2048=1000 0000 0000]寻址时，由于一页大小为2048，其地址范围为[0~2047]，0x800应为第一页第一个字节。其列地址为0，行地址为1（A11为行地址第一个位）。但当我们按上表分析该地址时，其列地址为0x800（2048）行地址为0，那么该地址读取的数据为第0页第2048个字节（即SPACE区域的第一个字节），显然问题的关键在A11上，也就是说当A11为1时，我们寻址空间为页2048~2111（共64字节）。通过实际检验，可以断定，我们地址addr[11]应为行地址第一位，读取Main页地址（0~2047）范围内时，A11必须置0，访问space区域时，A11必须置1，由我们根据需要决定，不从地址中取值，故行地址应从a[11]位开始。
2、操作命令字介绍 
操作NAND　FLASH时，先传输命令，接着输出地址，最后读/写数据，期间还要检查FLASH的状态。具体的命令字见下表。