Nand Flash介紹和Nand Flash控制器使用

阿新 • • 發佈：2019-01-18

一、Flash介紹

常用的flash型別有NOR Flash 和Nand Flash 兩種；

（1）Nor Flash

    1、Nor Flash的介面和RAM完全相同，可以隨機訪問任意地址的資料，在其上進行讀操作的效率非常高，但是擦除和寫操作的效率很低，另外，Nor Flash的容量一般比較小，通常，Nor Flash用於儲存程式；
    2、Nor Flash的塊大小範圍為64KB—128KB；
    3、擦寫一個Nor Flash塊需要4s，
    4、市場上Nor Flash 的容量通常為1MB—4MB

（2）Nand Flash
1、Nand Flash的介面僅僅包含幾個I/O引腳，需要序列地訪問，Nand Flash進行擦除和寫操作的效率很高，容量較大，

通常Nand Flash用於儲存資料；
    2、Nand Flash的塊大小範圍為8KB—64KB；
    3、擦寫一個Nand Flash塊需要2ms；
    4、Nand Flash 一般以512位元組為單位進行讀寫
    5、市場上 Nand Flash 的容量一般為 8M—512M

二、Nand Flash的物理結構

以三星公司生產的 K9F1208U0M 為例：

1、容量：64MB，

一共4個層；

每層1024個塊（block）；

1塊包含32頁

1頁包含 512 + 16 = 528個位元組

2、外部介面：8個I/O口，5個使能訊號（ALE、CLE、nWE、nRE、nCE），1個狀態引腳（RDY/B），1個防寫引腳（nWE）；

3、命令、地址、資料都通過8個I/O口輸入輸出；

4、寫入命令、地址、資料時，都需要將nWE、nCE訊號同時拉低；資料在WE上升沿被鎖存；

5、CLE、ALE用來區分I/O引腳上傳輸的是資料還是地址；

6、64MB的空間需要26位地址，因此以位元組為單位訪問Flash時需要4個地址序列；

7、讀/寫頁在發出命令後，需要4個地址序列

，而擦除塊在發出擦除命令後僅需要3個地址序列；

三、Nand Flash訪問方法

1 特殊功能暫存器定義 #define rNFCONF (*(volatile unsigned int *)0x4e000000) #define rNFCMD (*(volatile unsigned char *)0x4e000004) #define rNFADDR (*(volatile unsigned char *)0x4e000008) #define rNFDATA (*(volatile unsigned char *)0x4e00000c) #define rNFSTAT (*(volatile unsigned int *)0x4e000010) #define rNFECC (*(volatile unsigned int *)0x4e000014) #define rNFECC0 (*(volatile unsigned char *)0x4e000014) #define rNFECC 1 (*(volatile unsigned char *)0x4e000015) #define rNFECC2 (*(volatile unsigned char *)0x4e000016) 2 操作的函式實現 1. 傳送命令 #define NF_CMD(cmd) {rNFCMD=cmd; } 2. 寫入地址 #define NF_ADDR(addr) {rNFADDR=addr;} 3. Nand Flash 晶片選中 #define NF_nFCE_L() {rNFCONF&=~(1<<11);} 4. Nand Flash 晶片不選中 #define NF_nFCE_H() {rNFCONF|=(1<<11);} 5. 初始化 ECC #define NF_RSTECC() {rNFCONF|=(1<<12);} 6. 讀資料 #define NF_RDDATA() (rNFDATA) 7. 寫資料 #define NF_WRDATA(data) {rNFDATA=data;} 8. 獲取Nand Flash 晶片狀態 #define NF_WAITRB() {while(!(rNFSTAT&(1<<0)));} 0/假: 表示Nand Flash 晶片忙狀態 1/真：表示Nand Flash 已經準備好 3.NandFlash讀寫擦具體實現。

操作Nand Flash時，先傳輸命令，然後傳輸地址，最後讀、寫資料，期間要檢查flash的狀態；

K9F1208U0M 一頁大小為528位元組，而列地址A0——A7可以定址的範圍是256位元組，所以將一頁分為A、B、C三個區：

A區：0—255位元組

B區：256—511位元組

C區：512—527位元組

（0）Nand Flash 初始化

void NF_Init(void)
{
/* 設定 Nand Flash 配置暫存器, 每一位的取值見1.3 節 */
rNFCONF=(1<< 15)|(1<<14)|(1<< 13)|(1<<12)|(1<< 11)|(TACLS<<8)|(TWRPH0<<4)|(TWRPH1<<0);
/* 復位外部 Nand Flash 晶片 */
NF_Reset();
}

（1）復位

命令：FFh

步驟：發出命令即可復位Nand Flash晶片；

static void NF_Reset(void)
{
int i;

NF_nFCE_L(); /* 片選 Nand Flash 晶片*/
NF_CMD(0xFF); /* 復位命令 */
for(i=0;i< 10;i++); /* 等待tWB = 100ns. */
NF_WAITRB(); /* wait 200~500us; */
NF_nFCE_H(); /* 取消Nand Flash 選中*/
}

（2）讀操作

命令：

00h——讀A區

01h——讀B區

50h——讀C區

操作步驟：

1、發出命令 00h、01h 或50h， 00h將地址位A8設為0， 01h將A8設為1 ；

2、依次發出4個地址序列；

3、檢測R/nB，待其為高電平時，就可以讀取資料了；

引數說明：block ：塊號
page ：頁號
buffer ：指向將要讀取到記憶體中的起始位置
返回值：1：讀成功
0 ：讀失敗
static int NF_ReadPage(unsigned int block, unsigned int page, unsigned char *buffer)
{
int i;
unsigned int blockPage;
unsigned char ecc0, ecc1, ecc2;
unsigned char *bufPt=buffer;
unsigned char se[16];

page=page&0x1f;
blockPage=(block<<5)+page;
NF_RSTECC(); /* 初始化 ECC */
NF_nFCE_L(); /* 片選 Nand Flash 晶片*/
NF_CMD(0x00); /* 從A 區開始讀 */
NF_ADDR(0); /* A0~A7 位(Column Address) */
NF_ADDR(blockPage&0xff); /* A9A 16, (Page Address) */
NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff); /* A17A24, (Page Address) */
NF_ADDR((blockPage>> 16)&0xff); /* A25, (Page Address) */

/* 等待Nand Flash 處於再準備狀態 */
for(i=0;i< 10;i++);
NF_WAITRB(); /*等待 tR(max 12us) */
/* 讀整個頁, 512 位元組 */
for(i=0;i<512;i++)
{
*bufPt++=NF_RDDATA();
}

/* 讀取 ECC 碼 */
ecc0=rNFECC0;
ecc 1=rNFECC 1;
ecc2=rNFECC2;

/* 讀取該頁的OOB 塊 */
for(i=0;i< 16;i++)
{
se[i]=NF_RDDATA();
}

NF_nFCE_H(); /* 取消Nand Flash 選中*/

/* 校驗 ECC 碼, 並返回 */
if(ecc0==se[0] && ecc 1==se[1] && ecc2==se[2])
return 1;
else
return 0;
}

（3）flash程式設計

命令：

80h——10h ：寫單頁；

80h——11h ：對多個層進行些頁操作；

操作步驟：

1、寫單頁步驟：

【1】發出80h命令後；

【2】傳送4個地址序列；

【3】向flash傳送資料；

【4】發出命令10h啟動寫操作，flash內部自動完成寫、校驗操作；

【5】通過命令70h讀取狀態位，查詢寫操作是否完成；

2、多頁寫

【1】發出80h、4個地址序列、最多528位元組的資料；

【2】發出11h命令；

【3】接著在相鄰層執行【1】、【2】兩步操作；

【4】第四頁的最後使用10h代替11h，啟動flash內部的寫操作；

【5】可以通過71h查詢寫操作是否完成；

以頁為單位寫入.
引數說明：block 塊號
page 頁號
buffer 指向記憶體中待寫入Nand flash 中的資料起始位置
返回值: 0 ：寫錯誤
1：寫成功
static int NF_WritePage(unsigned int block, unsigned int page, unsigned char *buffer)
{
int i;
unsigned int blockPage = (block<<5)+page;
unsigned char *bufPt = buffer;

NF_RSTECC(); /* 初始化 ECC */
NF_nFCE_L(); /* 片選 Nand Flash 晶片*/
NF_CMD(0x0); /* 從A 區開始寫 */
NF_CMD(0x80); /* 寫第一條命令 */
NF_ADDR(0); /* A0~A7 位(Column Address) */
NF_ADDR(blockPage&0xff); /* A9A 16, (Page Address) */
NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff); /* A17A24, (Page Address) */
NF_ADDR((blockPage>> 16)&0xff); /* A25, (Page Address) */

for(i=0;i<512;i++)
{
NF_WRDATA(*bufPt++); /* 寫一個頁512 位元組到 Nand Flash 晶片 */
}

/*
* OOB 一共16 Bytes, 每一個位元組存放什麼由程式設計師自己定義, 通常,
* 我們在 Byte0Byte2 存 ECC 檢驗碼. Byte6 存放壞塊標誌.
*/
seBuf[0]=rNFECC0; /* 讀取 ECC 檢驗碼 0 */
seBuf[1]=rNFECC 1; /* 讀取 ECC 檢驗碼 1 */
seBuf[2]=rNFECC2; /* 讀取 ECC 檢驗碼 2 */
seBuf[5]=0xff; /* 非壞塊標誌 */

for(i=0;i< 16;i++)
{
NF_WRDATA(seBuf [i]); /* 寫該頁的OOB 資料塊 */
}

NF_CMD(0x10); /* 結束寫命令 */

/* 等待Nand Flash 處於準備狀態 */
for(i=0;i< 10;i++);
NF_WAITRB();

/* 傳送讀狀態命令 Nand Flash */
NF_CMD(0x70);
for(i=0;i<3;i++);

if (NF_RDDATA()&0x1)
{ /*如果寫有錯, 則標示為壞塊 */
NF_nFCE_H(); /* 取消Nand Flash 選中*/
NF_MarkBadBlock(block);
return 0;
} else { /* 正常退出 */
NF_nFCE_H(); /* 取消Nand Flash 選中*/
return 1;
}
}

（4）複製

命令：

00h——8Ah——10h ：單層頁內複製

03h——8Ah——11h ：多層頁內複製

操作步驟：

1、單層頁內複製步驟：

【1】發出命令00h；

【2】4個源地址序列；

【2】接著發出8Ah；

【4】發出4個目的地址序列；

【5】發出10h命令，啟動寫操作；

【6】通過70h命令讀取狀態查詢操作是否完成；

2、多層頁內複製步驟：

【1】發出命令00h（第一層）、4個源頁地址序列；

【2】以後各層依次發出命令03h、4個源頁地址序列；

【3】發出命令8Ah、目的地址、命令11h；

【4】各層依次執行【3】，在最後一頁的地址後，用10h代替11h，啟動寫操作；

【5】通過71h命令讀取狀態查詢操作是否完成；

（5）擦除

命令：

60h——D0h ：單層內塊擦除

60h-60h ——D0h ：多層內塊擦除

操作步驟：

1、單層內塊擦除：

【1】發出命令字60h；

【2】發出塊（block）地址，僅需3個地址序列；

【3】發出D0h，啟動擦除操作；

【4】發出70h命令查詢狀態，是否完成擦除；

2、多層內塊擦除：

【1】發出命令字60h，3個塊地址序列；

【2】對每個層執行【1】；

【3】發出命令D0h，啟動擦除操作；

【4】發出71h命令查詢狀態，檢查是否完成擦除；

（6）讀取晶片ID

命令：90h

操作步驟：

1、發出命令90h；

2、發出4個地址序列（均設為0）；

3、連續讀入5個數據，分別表示：廠商程式碼、裝置程式碼、保留位元組、多層操作程式碼；

返回值為Nand flash 晶片的 ID 號

unsigned short NF_CheckId(void)
{
int i;
unsigned short id;

NF_nFCE_L(); /* 片選 Nand Flash 晶片*/
NF_CMD(0x90); /* 傳送讀ID 命令到 Nand Flash 晶片 */
NF_ADDR(0x0); /* 指定地址 0x0 ，晶片手冊要求 */
for(i=0;i< 10;i++); /* 等待tWB = 100ns. */
id=NF_RDDATA()<<8; /* 廠商ID(K9S 1208V:0xec) */
id|=NF_RDDATA(); /* 裝置 ID(K9S 1208V:0x76) */
NF_nFCE_H(); /* 取消Nand Flash 選中*/
return id;
}

（7）讀狀態

命令：

70h——單層狀態

71h——多層狀態

操作步驟：寫入命令字之後，然後啟動讀操作即可讀入此暫存器。

（8）Nand flash 標記壞塊

如果是壞塊, 通過寫 OOB 塊的Byte6 把該塊標記為壞塊。
引數說明：block 塊號
返回值：1：ok ，成功完成標記。
0 ：表示寫OOB 塊正確.
static int NF_MarkBadBlock(unsigned int block)
{
int i;
unsigned int blockPage=(block<<5);

seBuf[0]=0xff;
seBuf[1]=0xff;
seBuf[2]=0xff;
seBuf[5]=0x44; /* 設定壞塊標記 */

NF_nFCE_L(); /* 片選 Nand Flash 晶片*/
NF_CMD(0x50); /* 從C 區開始寫 */
NF_CMD(0x80); /* 傳送程式設計命令, 讓Nand Flash 處理寫狀態 */
NF_ADDR(0x0); /* A0~A7 位(Column Address) */
NF_ADDR(blockPage&0xff); /* A9A 16, (Page Address) */
NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff); /* A17A24, (Page Address) */
NF_ADDR((blockPage>> 16)&0xff); /* A25, (Page Address) */

/* 寫OOB 資料塊 */
for(i=0;i< 16;i++)
{
NF_WRDATA(seBuf [i]);
}

NF_CMD(0x10); /* 結束寫命令 */

/* 等待NandFlash 準備好 */
for(i=0;i< 10;i++); /* tWB = 100ns. */
NF_WAITRB();

/*讀NandFlash 的寫狀態 */
NF_CMD(0x70);
for(i=0;i<3;i++); /* twhr=60ns */
if (NF_RDDATA()&0x1)
{
NF_nFCE_H(); /* 取消Nand Flash 選中*/
return 0;
} else {
NF_nFCE_H(); /* 取消Nand Flash 選中*/
}
return 1;
}

（9）Nand Flash 檢查壞塊

檢查指定塊是否是壞塊.
引數說明：block ：塊號
返回值：1：指定塊是壞塊
0 ：指定塊不是壞塊。
static int NF_IsBadBlock(U32 block)
{
int i;
unsigned int blockPage;
U8 data;

blockPage=(block<<5);
NF_nFCE_L(); /* 片選 Nand Flash 晶片*/
NF_CMD(0x50); /* Read OOB 資料塊 */
NF_ADDR(517&0xf); /* A0~A7 位(Column Address) */
NF_ADDR(blockPage&0xff); /* A9A 16, (Page Address) */
NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff); /* A17A24, (Page Address) */
NF_ADDR((blockPage>> 16)&0xff); /* A25, (Page Address) */

/* 等待NandFlash 準備好 */
for(i=0;i< 10;i++); /* wait tWB(100ns) */
NF_WAITRB();

/* 讀取讀出值 */
data=NF_RDDATA();
NF_nFCE_H(); /* 取消Nand Flash 選中*/
/* 如果data 不為0xff 時, 表示該塊是壞塊 */
if(data != 0xff)
return 1;
else
return 0;
}

（10）擦除指定塊中資料

引數說明：block 塊號
返回值：0 ：擦除錯誤。（若是壞塊直接返回0 ；若擦除出現錯誤則標記為壞塊然後返回0）

1 ：成功擦除。
static int NF_EraseBlock(unsigned int block)
{
unsigned int blockPage=(block<<5);
int i;

/* 如果該塊是壞塊, 則返回 */
if(NF_IsBadBlock(block))
return 0;

NF_nFCE_L(); /* 片選 Nand Flash 晶片*/
NF_CMD(0x60); /* 設定擦寫模式 */
NF_ADDR(blockPage&0xff); /* A9A 16, (Page Address) , 是基於塊擦*/
NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff); /* A17A24, (Page Address) */
NF_ADDR((blockPage>> 16)&0xff); /* A25, (Page Address) */
NF_CMD(0xd0); /* 傳送擦寫命令, 開始擦寫 */

/* 等待NandFlash 準備好 */
for(i=0;i< 10;i++); /* tWB(100ns) */
NF_WAITRB();

/* 讀取操作狀態 */
NF_CMD(0x70);
if (NF_RDDATA()&0x1)
{
NF_nFCE_H(); /* 取消Nand Flash 選中*/
NF_MarkBadBlock(block); /* 標記為壞塊 */
return 0;
} else {
NF_nFCE_H(); /* 取消Nand Flash 選中*/
return 1;
}
}

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