mini2440硬件篇之Nand Flash
1. 硬件原理
Nand Flash在对大容量的数据存储中发挥着重要的作用。相对于Nor Flash，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Nand Flash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。Nand Flash没有地址或数据总线，如果是8位Nand Flash，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。Nand Flash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。
1.1. 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（512）或第1个bit（2k）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。
2. 芯片手册
K9F2G08U0B
2.1. 特性
容量256MB
一页2k+64；一块128k+4k；
2.2. 引脚描述
见手册
2.3. 指令集
2.4. 读
2.5. 编程
2.6. 擦除
2.7. 读ID
3. mini2440电路图
4. S3C2440寄存器
4.1. 控制器特性
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。
4.2. 操作Nand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。
4.3. ECC奇偶校验
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）。
nand.h
/*******************************************************************
* Copyright (C)，2011-2012， XXX.
* FileName： nand.h
* Author：HuangYinqing
* Version：1.0
* Date:：2012-04-22
* Description：nand flash驱动.
* Function List：
* History：
******************************************************************/
#ifndef __NAND_H__
#define __NAND_H__
/*nand flash调试等级*/
#define DBG_NAND_LEVEL 1
/*nand flash信息*/
#define NAND_PAGE_SIZE (2*1024) //==1页2k
#define NAND_BLOCK_SIZE (NAND_PAGE_SIZE*64) //==1块128k
#define NAND_SIZE (256*1024*1024) //==容量256M
/*操作命令*/
#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
/*NFCONF设置时序*/
#define TACLS 1
#define TWRPH0 2
#define TWRPH1 0
/*NFCONT片选*/
#define NF_nFCE_L() {rNFCONT &= ~(1<<1); } //==打开片选
#define NF_nFCE_H() {rNFCONT |= (1<<1); } //==关闭片选
/*读写数据*/
#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
/*NFSTAT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
/*ECC*/
#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
/*函数*/
void NandTest(void);
void NandInit(void);
#endif
/*******************************************************************
* Copyright (C)，2011-2012， XXX.
* FileName： nand.h
* Author：HuangYinqing
* Version：1.0
* Date:：2012-04-22
* Description：nand flash驱动.
* Function List：
* History：
******************************************************************/
#include "common.h"
#include "core.h"
#include "nand.h"
/********************************************************************
函数功能：nand flash初始化。
入口参数：无。
返 回：无。
备 注：无。
********************************************************************/
void NandInit(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及不锁定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)|(0<<6)|(0<<5)|(1<<4)|(1<<1)|(1<<0);
}
/********************************************************************
函数功能：nand flash复位。
入口参数：无。
返 回：无。
备 注：无。
********************************************************************/
void NandReset(void)
{
int i;
NF_nFCE_L(); //打开nandflash片选
NF_CLEAR_RB(); //清除RnB信号
for ( i=0; i<10; i++);
NF_CMD(CMD_RESET); //写入复位命令
NF_DETECT_RB(); //等待RnB信号变高，即不忙
NF_nFCE_H(); //关闭nandflash片选
}
/********************************************************************
函数功能：nand flash读ID。
入口参数：无。
返 回：设备ID。
备 注：无。
********************************************************************/
char NandReadID(void)
{
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
// for ( i=0; i<10; i++);
//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
DbgPrintX( DBG_NAND_LEVEL, "\rMID=%2x,DID=%2x,3r=%2x,4r=%2x,5r=%2x\n",pMID,pDID,cyc3,cyc4,cyc5);
return pDID;
}
/********************************************************************
函数功能：nand flash检查坏块。（大页2k）
入口参数：
ulBlockNum：待检查块索引
返 回：1：坏块；0：好块。
备 注：无。
********************************************************************/
int NandIsBadBlockPage2048(U32 ulBlockNum)
{
U32 ulPageNum;
U8 bBadBlockFlag;
ulPageNum = ulBlockNum << 6; //==1块=128k=64页
NF_nFCE_L();
NF_CLEAR_RB();
NF_CMD(0x00);
NF_ADDR(0);
NF_ADDR((2048>>8)&0xff);
NF_ADDR(ulPageNum&0xff);
NF_ADDR((ulPageNum>>8)&0xff);
NF_ADDR((ulPageNum>>16)&0xff);
NF_CMD(0x30);
NF_DETECT_RB();
bBadBlockFlag = NF_RDDATA8();
NF_nFCE_H();
return (bBadBlockFlag != 0xff);
}
/********************************************************************
函数功能：检查坏块。
入口参数：
ulBlockNum：待检查块索引;
bIsLargerPage：1：大页；0：小页
返 回：1：坏块；0：好块。
备 注：无。
********************************************************************/
int NandIsBadBlock(U32 ulBlockNum, U8 bIsLargePage)
{
switch(bIsLargePage)
{
case 0:
// return Nand_IsBadBlockPage512(ulBlockNum);
case 1:
return NandIsBadBlockPage2048(ulBlockNum);
}
return 0;
}
/********************************************************************
函数功能：读nand flash一页数据。（大页2k）
入口参数：
ulPageNum：页索引
pucBuffer：缓冲区
返 回：成功：读取字节数
备 注：无。
********************************************************************/
U32 NandReadPage2048(U32 ulPageNum, U8 *pucBuffer)
{
U32 i;
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((ulPageNum) & 0xff); //行地址A12~A19
NF_ADDR((ulPageNum >> 8) & 0xff); //行地址A20~A27
NF_ADDR((ulPageNum >> 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++)
{
*pucBuffer++ = NF_RDDATA8();
}
NF_nFCE_H(); //打开nandflash片选
return i;
}
/********************************************************************
函数功能：读nand flash一页数据。
入口参数：
ulPageNum：页索引
pucBuffer：缓冲区
bIsLargerPage：1：大页；0：小页
返 回：读取字节数。
备 注：无。
********************************************************************/
int NandReadPage(U32 ulPageNum, U8 *pucBuffer, U8 bIsLargePage)
{
switch(bIsLargePage)
{
case 0:
// return Nand_ReadSectorPage512(ulPageNum, buffer);
case 1:
return NandReadPage2048(ulPageNum, pucBuffer);
}
return 0;
}
/********************************************************************
函数功能：读nand flash数据。
入口参数：
ulAddr：从哪个地址读
ulSize：要读取的字节数
pucBuffer：缓冲区
返 回：成功：读取字节数；其他：出错。
备 注：无。
********************************************************************/
int NandRead(U32 ulAddr, U32 ulSize, U8 *pucBuffer)
{
int i, j;
/*检查参数*/
if ( (ulAddr & (NAND_PAGE_SIZE-1)) || (ulSize & (NAND_PAGE_SIZE-1)) )
{
return ERR_PARAMETER; /* invalid alignment */
}
/*每次读一页*/
for (i=ulAddr; i < (ulAddr + ulSize);)
{
if (i & (NAND_BLOCK_SIZE-1)== 0) //==如果是块首，要检查坏块。
{
if ( NandIsBadBlock(i/NAND_BLOCK_SIZE, 1) )
{
/* Bad block */
i += NAND_BLOCK_SIZE;
ulSize += NAND_BLOCK_SIZE;
continue;
}
}
j = NandReadPage(i/NAND_PAGE_SIZE, pucBuffer, 1);
i += j;
pucBuffer += j;
}
return ERR_SUCCESS;
}
/********************************************************************
函数功能：写nand flash一页数据。（大页）
入口参数：
ulPageNum：页索引
pucBuffer：缓冲区
返 回：成功：读取字节数
备 注：无。
********************************************************************/
U32 NandWritePage2048(U32 ulPageNum, U8 *pucBuffer)
{
U32 i;
NF_nFCE_L(); //打开nandflash片选
NF_CLEAR_RB(); //清RnB信号
NF_CMD(CMD_WRITE1); //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((ulPageNum) & 0xff); //行地址A12~A19
NF_ADDR((ulPageNum >> 8) & 0xff); //行地址A20~A27
NF_ADDR((ulPageNum >> 16) & 0xff); //行地址A28
//读取一页数据内容
for (i = 0; i < 2048; i++)
{
NF_WRDATA8(*pucBuffer++);
}
NF_CMD(CMD_WRITE2); //页读命令周期2
udelay(200);
#if 0
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));
#endif
NF_DETECT_RB(); //等待RnB信号变高，即不忙
NF_nFCE_H(); //打开nandflash片选
return i;
}
/********************************************************************
函数功能：写nand flash一页数据。
入口参数：
ulPageNum：页索引
pucBuffer：缓冲区
bIsLargerPage：1：大页；0：小页
返 回：读取字节数。
备 注：无。
********************************************************************/
int NandWritePage(U32 ulPageNum, U8 *pucBuffer, U8 bIsLargerPage)
{
switch(bIsLargerPage)
{
case 0:
// return Nand_ReadSectorPage512(ulPageNum, buffer);
case 1:
return NandWritePage2048(ulPageNum, pucBuffer);
}
return 0;
}
/********************************************************************
函数功能：写nand flash数据。
入口参数：
ulAddr：写到哪个地址
ulSize：要写的字节数
pucBuffer：缓冲区
返 回：成功：编程字节数；其他：出错。
备 注：无。
********************************************************************/
int NandWrite(U32 ulAddr, U32 ulSize, U8 *pucBuffer)
{
int i, j;
/*检查参数*/
if ( (ulAddr & (NAND_PAGE_SIZE-1)) || (ulSize & (NAND_PAGE_SIZE-1)) )
{
return ERR_PARAMETER; /* invalid alignment */
}
/*每次写一页*/
for (i=ulAddr; i < (ulAddr + ulSize);)
{
if (i & (NAND_BLOCK_SIZE-1)== 0) //==如果是块首，要检查坏块。
{
if ( NandIsBadBlock(i/NAND_BLOCK_SIZE, 1) )
{
/* Bad block */
i += NAND_BLOCK_SIZE;
ulSize += NAND_BLOCK_SIZE;
continue;
}
}
j = NandWritePage(i/NAND_PAGE_SIZE, pucBuffer, 1);
i += j;
pucBuffer += j;
}
return ERR_SUCCESS;
}
/********************************************************************
函数功能：擦除nand flash数据。
入口参数：
ulBlock：块索引
返 回：成功：0；其他：出错。
备 注：无。
********************************************************************/
int NandErase(U32 ulBlockNum)
{
if( NandIsBadBlock(ulBlockNum, 1) )
{
return ERR_ERASE_NANDFLASH;
}
NF_nFCE_L(); //打开nandflash片选
NF_CLEAR_RB(); //清RnB信号
NF_CMD(CMD_ERASE1); //页读命令周期1
NF_ADDR((ulBlockNum <<6 ) & 0xff); //行地址A12~A19
NF_ADDR((ulBlockNum >> 2) & 0xff); //行地址A20~A27
NF_ADDR((ulBlockNum >> 10) & 0xff); //行地址A28
NF_CMD(CMD_ERASE2); //页读命令周期2
udelay(200);
#if 0
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));
#endif
NF_DETECT_RB(); //等待RnB信号变高，即不忙
NF_nFCE_H(); //打开nandflash片选
return ERR_SUCCESS;
}
/********************************************************************
函数功能：测试nand flash。
入口参数：无。
返 回：无。
备 注：无。
********************************************************************/
void NandTest(void)
{
int ret;
unsigned char data[4][1024];
memset(data, 0x86, 4*1024);
NandInit();
NandReset();
NandReadID();
ret = NandErase(2);
if(ret != ERR_SUCCESS)
{
DbgPrintX( DBG_NAND_LEVEL, "\rnand erase err=%2x\n",ret);
return;
}
ret = NandWrite( 0x50000, 4*1024, (unsigned char *)data );
if(ret != ERR_SUCCESS)
{
DbgPrintX( DBG_NAND_LEVEL, "\rnand write err=%2x\n",ret);
return;
}
ret = NandRead(0x50000, 4*1024, (unsigned char *)0x31000000);
if(ret != ERR_SUCCESS)
{
DbgPrintX( DBG_NAND_LEVEL, "\rnand read err=%2x\n",ret);
return;
}
}