【篇九】NandFlash 和 iNand存储

本周总结点

• NandFlash和iNand概念和相关接图
• NandFlash常见操作流程图分析
• Nand控制器（SOc角度）
• iNand介绍
• iNand/SD卡操作

NandFlash和iNand概念和相关接图

    • Nand和iNand接线图如下

        Nand的型号和命名：K9F2G08
        1：K9F表示厂家是三星公司的，型号是NandFlash系列，2G表示Nand的容量2Gbit（256MB），08表示Nand的数据位是8位的（8根数据线）
    • NandFlash内部结构功能框图如图

        基本信息
            1：Nand是块设备，是一个矩阵式存储器，有一层层的片（页）组成，每一小块组成一页，一小块可以存储一个bit位，
            2：页是Nand访问的最小单元，如图一页的大小是（2KB+ 64B），分为带内数据和带外数据，一个页由两部分存储组成，其中2KB的是带内数据，是我们数据的存储的空间，
               我们平时计算的容量也是值考虑着2KB，64字节的的带外数据不能储存数据，是作为别的附加用途的，如（存储ECC数据，存储坏块标志）
                   > ECC:error correction code,错误校验码，因为nand本身出错（位反转）概率高，（Nand较Nor最大缺点是稳定性）
            3：块是擦除Nand的最小单位，1个块(Block) 等于(2K + 64)B x 64 Pages = (128K + 4K) Bytes
            4：一个设备由多个Block(块)组成
        存储原理分析
            1：Nand芯片中有两部分：Nand存储颗粒 + Nand接口电路， Nand存储颗粒当做仓库来存储二进制位，接口用来管理存储颗粒，提供给外界统一的Nand接口
            2：Nand中的每个单位都有自己的独立地址（地址访问能精确到字节，但是实际是能精确到页）,所以一般访问的地址不能随便写，需要以页对齐的，比如2k，4k
            3：Nand读写时地址通过IO线发送的，因为地址有30位，而IO只有8位，所以需要多个cycle才能发送完毕，地址时序图如图所示

            4：每个nand厂商的一个block的几个page是不同的，导致nand组织架构乱，接口时序不同，所以很难兼容，导致升级容量或者换芯片，硬件要从新做，软件从新一直，
              成为最大的问题          
    • Nand的命令码
        1：外部Soc通过Nand控制器来访问Nand,实质就是通过Nand接口，就必须按照Nand接口给Nand发送命令，地址，数据等信息来读写Nand
        2：Nand芯片内部的管理电路本身可以接受外部发送的命令，然后根据命令来读写Nand内容与外部SoC交互，所以我们对Nand进行的操作（擦，读，写）都要有命令，地址，数据的参与才
          能完成，而且必须按照Nand芯片规定的流程来读

NandFlash常见操作流程图分析

     》坏块检查，如图

         1：Flash使用之前需要擦出，Flash擦出后位全部为1，读出来的值即为0xff
         2：检查思路：先将块擦出，然后整块读出，循环检查（Check "FFh or FFFFh"）各字节是否为0xff，是则表明不是坏块，不是则表示是坏块，
             并（Create (or update) Invalid Block(s) Table）写入或标记到坏块表，直到循环最后一块结束
         
    》页写操作

        1：写之前已经要先擦出干净，我们编程需要用到写操作，写地址必须块对齐
        2：写过程：Soc通过Nand控制器和Nand芯片完成时序对接，然后按照要求将一页的数据发送给Nand芯片内部的接口电路，接口电路先接收到自己的缓冲区，
           然后再集中写入到Nand芯片的存储区域中，从缓冲区写入到存储系统需要一定时间，这段时间Nand芯片不能再响应Soc发过来的其他命令了，所以SOc要等待nand接口电路状态寄存器状态位标识符（Read Status Register）才会确认写操作结束【Soc不断读取这个状态寄存器】
        3：当写入完成后，有些Nand不稳定，添加了可选ECC校验，ECC校验分为硬件和软件两种方式，如图右边部分为软件方式，
            硬件：Nand控制器提供硬件是ECC（现在比较普片），当我们按照SOc要求，打开ECC生成开关我们写入输入到芯片时，写入数据后，Nand控制器的ECC模块会自动进行计算，生成ECC数据，我们将ecc生成的结果写入到带外数据区即可
            软件：重新读取一遍刚才写入的内容，和写入的数据进行比较是否一致
    》擦除
        1：给定地址必须块地址对齐

Nand控制器（SOc角度）

    作用：nand接口电路和Soc之间通过接口时序来通信，nand接口时序复杂，如果要Soc完全用软件来实现，编程复杂
         解决办法：在SOc内部集成一个Nand控制器（是指就是一块硬件电路，这个硬件完全满足nand接口时序的操作，然后将时序操作寄存器化），然后编程人员不需要关注Nand时序问题了，只需要操作Nand控制器即可， 这是现在的趋势
    框图分析：系统总线连接，通过AHB(高性能总线)连接SFR(特殊功能寄存器)，和ECC，NAnd控制器通信，并完成Nand接口时序转换，nFCE，I/O1-7,nRE等和核心板图的接线图
        大致是一一匹配的
    关键点：SFR:编程关键，通过读写SFR来产生Nand接口时序来读写Nand芯片
           Nand接口：硬件接口，用来和Nand芯片的相应引脚进行连接
           ECC生成器
    主要控制器：NFCONF,NFCONT,NFADDR,NFDATA,NFMECCD0&NFMECCD1,NFSECCD,NFSTAT    

 

iNand介绍

•  iNand/eMMC/SDCard/MMCCard的关联

        》MMC卡出现的最早，卡片式结构，按照MMC协议设计，（相较于NandFlash芯片来说，MMC卡2个优势，第一是卡片化，偏于拆装，第二是统一了协议接口，兼容性好）
        》SD卡出现后，兼容MMC协议，较MMC有一些改进，如容量，读写速率，写保护
        》iNand、eMMC是在SD卡基础上发展起来，将SD卡芯片化，
        》iNandh和eMMC关联：eMMC是协议，iNand是符合eMMC协议的一种芯片系列名称
    iNand/eMMC 和 NandFlash的区别
        》iNand内部也是有存系统和接口电路构成（和Nand结构相似，不同之处在于接口电路功能不同）
        》iNand接口电路复杂，功能很健全：如
            1：提供emmC接口协议，和SoC和eMMC接口控制器通信对接
            2：提供块的ECC校验相关逻辑，也就是说iNand本身自己完成存储系统的ECC功能，SoC使用iNand时自己不用写代码来进行ECC相关的操作，简化编程
            3：iNand使用MCL Nand颗粒，性价比高（Nandflash分两种：SLC和MLC，SLC稳定，容量小，价格高，MCL容易出错，容量大，价格低）
            4：iNand接口电路提供cache机制，所以操作速度很快
    iNand/eMMC 和 SD卡物理接口对比，接线图如
        》210芯片本身支持4通道SD/MMC，在210中实际上SD/MMC0通道接了iNand芯片，而SD/MMC2接了SD卡
        》对比iNand和SD卡接线，发现这两个接线几乎一样，唯一区别是SD卡IO线有4根，而iNand的IO线有8根

•         》总结：实际操作iNand芯片和SD卡几乎是一样的（物理接口一样，软件操作协议一样）

iNand/SD卡操作

    》硬件接口：DATA,CLK（设置时钟）,CMD(用来传输命令)
    》命令响应的操作模式：命令都是SOc发给SD卡的，卡只管接受，不会发送给SoC的
        • 命令：命令是启动一项操作的令牌。命令可以从主机发送到一张卡 （寻址命令）或发送到连接的所有卡（广播命令）。命令在 CMD 线上串 行传输。
        • 响应：响应是从被寻址的卡或（同时）从所有连接的卡发送到主机， 作为对接收到的命令的回答的令牌。响应在 CMD 线上串行传输。
        • 数据：数据可以从卡发送到主机或者相反。数据通过数据线传输。
        • 命令操作模式：SD协议实现定义了很多标准命令（cmd0,cmd1），每个命令都有它的作用和使用条件和对应的响应，sd卡工作时就是一个个命令的周期组合起来的，在一个
            周期类，主机先发送cmd给SD卡，然后SD卡解析这个命令并且执行这个命令，然后SD卡根据结果回发给主机SoC一个响应，标准的命令+响应周期中，主机发完一个命令后
            应该等待SD卡的响应而不是接着发下一条命令
        • SD卡内部控制器：这个控制器类似一个单片机，它的程序功能是通过CMD线接受外部主机Soc发给SD卡的命令码，然后执行这个命令并且回发响应给主机SoC，这个单片机
            处理命令及回响应遵循的就是SD协议，这个单片机可以同时控制SD卡内部的存储单元和读写存储单元
    》SD卡寄存器（注意，不是SOc的）        
        • 和多外部芯片像SD卡一样，都有内置寄存器，这些寄存器可以按照一定的规则访问，可以得知一些芯片信息，
        • RCA(relative address)相对地址寄存器，我们访问SD卡时，实际上SD卡内部每个单元的地址没有绝对数字，都是使用的相对地址