NAND Flash的驱动程序设计

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。

 

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;}

　　3  ECC校检原理与实现

　　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可靠，因此在NAND的生产及使用过程中会产生坏块。为了检测数据的可靠性，在应用NAND Flash的系统中一般都会采用一定的坏区管理策略，而管理坏区的前提是能比较可靠地进行坏区检测。如果操作时序和电路稳定性不存在问题的话，NAND Flash出错的时候一般不会造成整个块或是页不能读取或全部出错，而是整个页（例如512字节）中只有一位或几位出错。对数据的校验常用的有奇偶校验、CRC校验等，而在NAND Flash处理中，一般使用一种专用的校验——ECC。ECC能纠正单位错误和检测双位错误，而且计算速度很快，但对1位以上的错误无法纠正，对2位以上的错误不保证能检测。ECC一般每256字节原始数据生成3字节ECC校验数据，这3字节共24位分成两部分：6位的列校验和16位的行校验，多余的2位置1，如表1所列。

 

　　表1  校检数据组成

　　首先介绍ECC的列校检。ECC的列校验和生成规则如图4所示，“^”表示“位异或”操作。由于篇幅关系，行校检不作介绍，感兴趣的读者可以参考芯片datasheet，在三星公司网站可以免费下载。

 

　　图4  列校验和生成规则

　　数学表达式为：

 

　　当向NAND Flash的页中写入数据时，每256字节生成一个ECC校验和，称之为原ECC校验和，保存到页的OOB数据区中。当从NAND Flash中读取数据时，每256字节生成一个ECC校验和，称之为新ECC校验和。校验的时候，根据上述ECC生成原理不难推断：将从OOB区中读出的原ECC校验和与新ECC校验和按位异或，若结果为0，则表示无错（或者出现了 ECC无法检测的错误）；若3字节异或结果中存在11位为1，表示存在一个位错误，且可纠正；若3个字节异或结果中只存在1位为1，表示 OOB区出错；其他情况均表示出现了无法纠正的错误。

　　4  UBOOT下功能验证

　　实现UBOOT对NAND Flash的支持主要是在命令行下实现对NAND Flash的操作。对NAND Flash实现的命令为：nand info、nand device、nand read、nand write、nand erease、nand bad。用到的主要数据结构有：struct nand_flash_dev和struct nand_chip，前者包括主要的芯片型号、存储容量、设备ID、I/O总线宽度等信息，后者是对NAND Flash进行具体操作时用到的信息。由于将驱动移植到UBoot的方法不是本文重点，故不作详细介绍。

　　验证方式：通过TFTP将数据下载到SDRAM中，利用nand read、nand write、nand erease三个命令对NAND Flash进行读、编程、擦写测试。测试结果如表2所列。和datasheet中数据对比，可以得出结论，驱动在系统中运行良好。

 

　　表2  测试结果

　　结语

　　现在嵌入式系统应用越来越广泛，而存储器件又是嵌入式系统必不可少的一部分，NAND Flash在不超过4 GB容量的需求下，较其他存储器件优势明显。本文所设计的驱动并未基于任何操作系统，可以方便地移植到多种操作系统和Boot Loader下，对于简化嵌入式系统开发有一定的实际意义。