Nand Flash探索之旅

一 Nand flash概述：

    看过一些关于Nand Flash的材料，有的说得太细，细到每个寄存器的每个位，不容易整体把握；有的讲述的太粗泛，忽略细节，所以在这里想整理一下，以背后用并愿意跟各位同仁分享，水平有限，有错误之处还请见谅并提出。

在arm产品的开发中，SRAM (Static RAM，静态随机存储器) - 此类静态RAM的运行速度非常快，也非常昂贵，其体积相对来说也比较大。今天我们常说的CPU内的一级、二级缓存就是使用了此SRAM。但是这种SRAM比较昂贵，因此在CPU内只能使用少量的SRAM，以降低处理器的生产成本；不过由于SRAM的特点---高速 度，因此对提高系统性能非常有帮助。

SDRAM和Nand flash存储器比SRAM存储器要经济，这样就促使了用户使用在Nand flash上执行启动代码，在SDRAM上执行主程序。

Nand-flash内存是flash内存的-种，其内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。Nand-flash存储器具有大容量改写速度快等优点，适用于大量数据的存储，因而在业界得到了越来越广泛的应用，如嵌入式产品中包括数码相机、MP3随身听记忆卡、体积小巧的U盘等。

NAND型闪存以块为单位进行擦除操作。闪存的写入操作必须在空白区域进行，如果目标区域已经有数据，必须先擦除后写入，因此擦除操作是闪存的基本操作。

S3c2440的驱动代码可以在Nand flash存储器上被执行。为了支持Nand flash的boot loader，S3c2440上面配备了一个容量只有4KB内部的SRAM缓冲器，就是steppingstone。启动时nand flash上的前4KB字节的数据被加载到stepingstone上。

 

二 Nand Flash的特性：

（1）自动启动：启动代码在重启时被传输到4KB的Steppingstone上，传输后代码会在steppingstone上被执行。

（2）Nand Flash存储器接口：支持256字，512字，1KB字和2KB字的页

（3）软件模式：用户可以直接访问它

（4）接口：8或16位的Nand Flash存储器可口总行

（5）硬件ECC生成，检测和指示软件错误

（6）SFR接口：支持小端模式，对数据和ECC数据寄存器的字节，半字和字访问

（7）steppingstone接口：支持大小端，字节，半字和字访问

（8）steppingstone 4KB内部SRAM缓冲器可以在Nand Flash启动后用于其它目的

 

三 Nand Flash的模块图：

    

   图解：系统总线：用来在CPU和Nand Flash之间传输数据。

AHB系统总线，主要用于高性能模块(如CPU、DMA和DSP等)之间的连接，作为SoC的片上系统总线，它包括以下一些特性：单个时钟边沿操作；非三态的实现方式；支持突发传输；支持分段传输；支持多个主控制器；可配置32位~128位总线宽度；支持字节、半字节和字的传输。

其它部分上面以介绍，在此不再赘述。

 

四 boodloader功能图：

   

在启动期间，Nand Flash控制器通过引脚状态得到连接Nand Flash的信息，在上电或重启以后，Nand Flash控制器自动加载4KB的bootloader代码（注意：这里的4KB代码，不是bootloader的全部），在加载后自动执行。在自动重启期间，ECC没有检查，因为Nand Flash的前4KB数据一般认为没有位错误。

 

五 这里介绍几个重要的引脚配置：

       OM[1:0] = 00：使能Nand Flash存储器启动

       NCON：Nand Flash存储器选择，0：普通Nand Flash（256字/512字节页大小，3~4地址周期）                                     1：先进Nand Flash（1KB字/2KB字节页大小，4~5地址周期）

       GPG13：Nand Flash存储器页容量

                     0：页=256B或1KB

                     1：页=512B或2KB

       GPG15：Nand Flash存储器地址周期选择

                     0：3~4个地址周期

                     1：4~5个地址周期

       GPG15:Nand Flash存储器总线宽带选择

                     0:8位总线宽带

                     1:16位总线宽度

       至于，各个寄存器的详细内容查看芯片手册。

六 Nand Flash在S3c2440中的启动流程：

       （1）S3c2440支持从Nand Flash启动，在系统上电时，Steppingstone（寄存器组，一块不用初始化的SRAM）通过Nand Flash控制器将Nand Flash上的前4KB的启动代码自动加载到自己的4KB的空间里。

（2）然后，Nand Flash控制器把该段代码映射到物理内存的起始位置，即内存的0x00000000地址，映射完毕之后，就自动启动该段代码，这个过程不需程序干扰。

注意：到这里的所有操作（Stage1）是通过硬件完成的，不需要软件的支持，程序员只需要把最核心的启动程序放在Nand Flash的前4KB中就好。

（3）要知道，上面两个步骤中涉及到启动代码只是bootloader的一部分，是启动代码，它的主要功能是完成由硬件启动到操作系统启动的过度，为运行操作系统提供基本的运行环境，如初始化cpc，堆栈，初始化存储器系统等，其功能类似于pc机的BIOS。Steppingstons总的启动代码在完成基本的初始化以后，就开始调用拷贝函数将bootloader的其他代码拷贝到内部存储器的SDRAM中运行。

（4）bootloader的功能主要有两个，一个是启动系统，二是加载内核。第三步运行的bootloader代码主要完成第二个功能----加载内核，在内核被成功加载到内部的SDRAM中后就将cpu的控制权移交给内核，bootloader代码的最后一句就是调用内核函数。

（5）内核得到控制权后，首先执行内核环境的初始化函数，并且加载文件系统等操作，到这里Nand Flash的启动过程就基本结束了。

 

七 Nand Flash启动的误区

       初学者都会认为：bootloader镜像，内核镜像和文件系统镜像都是烧写在Nand Flash上的（当然bootloader镜像在Nor Flash也有烧写），那么Nand Flash的启动应该是在自己的空间里运行的。由上面的讲述，相信聪明的你一定知道根本不是这样的，那么为什么不能够在Nand Flash上直接运行程序呢？大概可以总结如下：

       首先，Nand Flash本事是连接到控制器上而不是系统总线上的，CPU启动后的取指令操作，而取指令的对象都是像SROM，NOR Flash之类的存储器，但在Nand Flash上不行，因为Nand Flash是管脚复用的，它有自己的一套时序机制，这样CPU无法取得可以执行的代码，也就不能初始化系统了。比如：str r0, [r1]，该汇编指令包含了目的地址和源寄存器，按照CPU的时序将寄存器中的数据保存的内存中。如果想把数据存储到Nand Flash上，必须按照Nand Flash的读写时序进行，即先写NFCONF（Nand Flash的配置寄存器），然后写NFCMD（命令寄存器），NFADDR（地址寄存器），最后写NFDATA（数据寄存器）。

       其次，Nand Flash是顺序存取设备，不能够背随即访问，读写访问以页尾单位，程序就不能够分支和跳转，这样你无法涉及程序。