s3c2440a 裸奔4之NAND FLASH控制器1

NAND FLASH控制器1

一． 概述：

目前的NOR Flash 存储器价格较高，相对而言SDRAM 和NAND Flash 存储器更经济，这样促使了一些用户在NAND Flash 中执行引导代码，在SDRAM 中执行主代码。S3C2440A引导代码可以在外部NAND Flash 存储器上执行。为了支持NAND Flash 的BootLoader，S3C2440A配备了一个内置的SRAM 缓冲器，叫做“Steppingstone”。引导启动时，NAND Flash 存储器的开始4K 字节将被加载到Steppingstone 中并且执行加载到Steppingstone 的引导代码。通常引导代码会复制NAND Flash 的内容到SDRAM 中。通过使用硬件ECC，有效地检查NAND Flash 数据。在复制完成的基础上，将在SDRAM 中执行主程序。

二． 特性：

1) 关于引导启动：引导代码在复位期间被传送到4K 字节的Steppingstone。传送后，引导代码将在Steppingstone中执行。

2) NAND Flash 存储器接口：支持256 字，512 字节，1K 字和2K 字节页。

3) 软件模式：用户可以直接访问NAND Flash 存储器，例如此特性可用于NAND Flash 存储器的读/擦除/编程。

4) 接口：8/16 位NAND Flash 存储器接口总线

5) 硬件ECC 生成，检测和指示（软件纠错）。

6) SFR I/F：支持小端模式是按字节/半字/字访问数据和ECC 数据寄存器，和按字访问其它寄存器。

7) SteppingStone 接口：支持大/小端模式的按字节/半字/字访问。

8) SteppingStone 4KB 内部SRAM 缓冲器可以在NAND Flash 引导启动后用于其他用途。

三．引脚配置：以下配置详看友善之臂的原理图

1．OM[1:0] = 00：使能NAND Flash 存储器引导启动

2．NCON：NAND Flash 存储器选择（普通/先进）

0：普通NAND Flash（256 字或512 字节页大小，3 或4 个地址周期）

1：先进NAND Flash（1K 字或2K 字节页大小，4 或5 个地址周期）

3． GPG13：NAND Flash 存储器页容量选择

0：页=256 字（NCON=0）或页=1K 字（NCON=1）

1：页=512 字节（NCON=0）或页=2K 字节（NCON=1）

4． GPG14：NAND Flash 存储器地址周期选择

0：3 个地址周期（NCON=0）或4 个地址周期（NCON=1）

1：4 个地址周期（NCON=0）或5 个地址周期（NCON=1）

5．GPG15：NAND Flash 存储器总线宽度选择

0：8 位宽度

1：16 位宽度

注释：

配置引脚NCON，GPG[15:13]将在复位期间被取出（fetched）。在正常状态下，这些引脚必须设置为输入，这

是为了在由软件或意外情况而进入睡眠模式时，这些引脚的状态不被改变。

四、软件模式：

1.写命令寄存器

2．写地址寄存器

3．写数据寄存器

4．读数据寄存器

5．读主ECC 寄存器和备份ECC 寄存器=从NAND Flash 存储器读取数据

注意：软件模式下必须用中断或者查询方式来检测RNB输入状态

五．ECC编程指南：

1) 软件模式下，ECC 模块生成ECC 奇偶校验码用于读/写数据。因此你可以写入InitECC（NFCONT[4]）位为’1’并在

读或写数据之前清除MainECCLock（NFCONT[5]）位为’0’（开锁）来复位ECC 的值。MainECCLock（NFCONT[5]）

和SpareECCLock（NFCONT[6]）是控制是否生成ECC 奇偶校验码。

2）每当读取或写入数据时，ECC 模块将生成ECC 奇偶校验码到寄存器NFMECC0/1 中。

3) 当你完成了读或写一页以后（不包括备份区域数据），设置MainECCLock 位为’1’（锁）。ECC 奇偶校验码被锁住

并且ECC 状态寄存器的值也将不会被改变。

4) 要生成备份区域ECC 奇偶校验码，清除SpareECCLock（NFCONT[6]）位为’0’（开锁）即可。

5) 每当读取或写入数据时，备份区域ECC 模块生成ECC 奇偶校验码到寄存器NFSECC 中。

6) 当你完成了读或写备份区域后，设置SpareECCLock 位为’1’（锁）。ECC 奇偶校验码被锁住并且ECC 状态寄存器

的值也将不会被改变。

7) 每完成一次你可以用这些值来标记备份区域或检查位错误。

六．寄存器介绍：

1．NAND FLASH配置寄存器（NFCONF）：

2．NAND FLASH控制寄存器（NFCONT）：

3.命令寄存器：

4．地址寄存器

5．数据寄存器

6.主数据区域寄存器：

7.备分区域ECC寄存器：

八．转载网络关于NAND FLASH的相关技术BLOG 此篇只做读写擦除NANDFLASH相关内容，至于通过NANDFLASH启动程序 以及搬运程序下篇学习笔记再专门研究。

nandflash在对大容量的数据存储中发挥着重要的作用。相对于norflash，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nandflash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。nandflash没有地址或数据总线，如果是8位nandflash，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。nandflash 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。

三星公司是最主要的nandflash供应商，因此在它所开发的各类处理器中，实现对nandflash的支持就不足为奇了。s3c2440不仅具有nandflash的接口，而且还可以利用某些机制实现直接从nandflash启动并运行程序。本文只介绍如何对nandflash实现读、写、擦除等基本操作，不涉及nandflash启动程序的问题。

在这里，我们使用的nandflash为K9F2G08U0A，它是8位的nandflash。不同型号的nandflash的操作会有所不同，但硬件引脚基本相同，这给产品的开发带来了便利。因为不同型号的PCB板是一样的，只要更新一下软件就可以使用不同容量大小的nandflash。

K9F2G08U0A的一页为（2K＋64）字节（加号前面的2K表示的是main区容量，加号后面的64表示的是spare区容量），它的一块为64页，而整个设备包括了2048个块。这样算下来一共有2112M位容量，如果只算main区容量则有256M字节（即

256M×8位）。要实现用8个IO口来要访问这么大的容量，K9F2G08U0A规定了用5个周期来实现。第一个周期访问的地址为A0~A7；第二个周期访问的地址为A8~A11，它作用在IO0~IO3上，而此时IO4~IO7必须为低电平；第三个周期访问的地址为A12~A19；第四个周期访问的地址为A20~A27；第五个周期访问的地址为A28，它作用在IO0上，而此时IO1~IO7必须为低电平。前两个周期传输的是列地址，后三个周期传输的是行地址。通过分析可知，列地址是用于寻址页内空间，行地址用于寻址页，如果要直接访问块，则需要从地址A18开始。

由于所有的命令、地址和数据全部从8位IO口传输，所以nandflash定义了一个命令集来完成各种操作。有的操作只需要一个命令（即一个周期）即可，而有的操作则需要两个命令（即两个周期）来实现。下面的宏定义为K9F2G08U0A的常用命令：

#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

在这里，随意读命令和随意写命令可以实现在一页内任意地址地读写。读状态命令可以实现读取设备内的状态寄存器，通过该命令可以获知写操作或擦除操作是否完成（判断第6位），以及是否成功完成（判断第0位）。

下面介绍s3c2440的nandflash控制器。s3c2440支持8位或16位的每页大小为256字，512字节，1K字和2K字节的nandflash，这些配置是通过系统上电后相应引脚的高低电平来实现的。s3c2440还可以硬件产生ECC校验码，这为准确及时发现nandflash的坏块带来了方便。nandflash控制器的主要寄存器有NFCONF（nandflash配置寄存器），NFCONT（nandflash 控制寄存器），NFCMMD（nandflash命令集寄存器），NFADDR（nandflash地址集寄存器），NFDATA（nandflash数据寄存器），NFMECCD0/1（nandflash的main区ECC寄存器），NFSECCD（nandflash的spare区ECC寄存器），NFSTAT（nandflash 操作状态寄存器），NFESTAT0/1（nandflash的ECC状态寄存器），NFMECC0/1（nandflash用于数据的ECC寄存器），以及NFSECC（nandflash用于IO的ECC寄存器）。

NFCMMD，NFADDR和NFDATA分别用于传输命令，地址和数据，为了方便起见，我们可以定义一些宏定义用于完成上述操

作：

#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

其中rNFDATA8的定义为(*(volatile unsigned char *)0x4E000010)。

NFCONF主要用到了TACLS、TWRPH0、TWRPH1，这三个变量用于配置nandflash的时序。s3c2440的数据手册没有详细说明这三个变量的具体含义，但通过它所给出的时序图，我们可以看出，TACLS为CLE/ALE有效到nWE有效之间的持续时间，TWRPH0为nWE的有效持续时间，TWRPH1为nWE无效到CLE/ALE无效之间的持续时间，这些时间都是以HCLK为单位的（本文程序中的HCLK=100MHz）。通过查阅K9F2G08U0A的数据手册，我们可以找到并计算该nandflash与s3c2440相对应的时序：K9F2G08U0A中的tWP与TWRPH0相对应，tCLH与TWRPH1相对应，（tCLS－tWP）与TACLS相对应。K9F2G08U0A给出的都是最小时间，s3c2440只要满足它的最小时间即可，因此TACLS、TWRPH0、TWRPH1这三个变量取值大一些会更保险。在这里，这三个值分别取1，2和0。NFCONF的第0位表示的是外接的nandflash是8位IO还是16位IO，这里当然要选择8位的IO。

NFCONT寄存器是另一个需要事先初始化的寄存器。它的第13位和第12位用于锁定配置，第8位到第10位用于nandflash 的中断，第4位到第6位用于ECC的配置，第1位用于nandflash芯片的选取，第0位用于nandflash控制器的使能。另外，为了初始化nandflash，还需要配置GPACON寄存器，使它的第17位到第22位与nandflash芯片的控制引脚相对应。下面的程序实现了初始化nandflash控制器：

void NF_Init ( 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)|(1<<6)|(1<<5)|(1<<4)|(1<<1)|(1<<0);

}

为了更好地应用ECC和使能nandflash片选，我们还需要一些宏定义：

#define NF_nFCE_L() {rNFCONT &= ~(1<<1); }

#define NF_CE_L() NF_nFCE_L() //打开nandflash片选 #define NF_nFCE_H() {rNFCONT |= (1<<1); }

#define NF_CE_H() NF_nFCE_H() //关闭nandflash片选 #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 NFSTAT是另一个比较重要的寄存器，它的第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

下面就详细介绍K9F2G08U0A的基本操作，包括复位，读ID，页读、写数据，随意读、写数据，块擦除等。

复位操作最简单，只需写入复位命令即可：

static void rNF_Reset()

{ NF_CE_L(); //打开nandflash片选

NF_CLEAR_RB(); //清除RnB信号

NF_CMD(CMD_RESET); //写入复位命令

NF_DETECT_RB(); //等待RnB信号变高，即不忙

NF_CE_H(); //关闭nandflash片选

}

读取K9F2G08U0A芯片ID操作首先需要写入读ID命令，然后再写入0x00地址，就可以读取到一共五个周期的芯片ID，第一个周期为厂商ID，第二个周期为设备ID，第三个周期至第五个周期包括了一些具体的该芯片信息，这里就不多介绍： static char rNF_ReadID()

{

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

//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

return (pDID);

}

下面介绍读操作，读操作是以页为单位进行的。如果在读取数据的过程中不进行ECC校验判断，则读操作比较简单，在写入读命令的两个周期之间写入要读取的页地址，然后读取数据即可。如果为了更准确地读取数据，则在读取完数据之后还要进行ECC校验判断，以确定所读取的数据是否正确。

在上文中我们已经介绍过，nandflash的每一页有两区：main区和spare区，main区用于存储正常的数据，spare区用

于存储其他附加信息，其中就包括ECC校验码。当我们在写入数据的时候，我们就计算这一页数据的ECC校验码，然后把校验码存储到spare区的特定位置中，在下次读取这一页数据的时候，同样我们也计算ECC校验码，然后与spare区中的ECC 校验码比较，如果一致则说明读取的数据正确，如果不一致则不正确。ECC的算法较为复杂，好在s3c2440能够硬件产生ECC 校验码，这样就省去了不少的麻烦事。s3c2440即可以产生main区的ECC校验码，也可以产生spare区的ECC校验码。因为K9F2G08U0A是8位IO口，因此s3c2440共产生4个字节的main区ECC码和2个字节的spare区ECC码。在这里我们规定，在每一页的spare区的第0个地址到第3个地址存储main区ECC，第4个地址和第5个地址存储spare区ECC。产生ECC校验码的过程为：在读取或写入哪个区的数据之前，先解锁该区的ECC，以便产生该区的ECC。在读取或写入完数据之后，再锁定该区的ECC，这样系统就会把产生的ECC码保存到相应的寄存器中。main区的ECC保存到NFMECC0/1中（因为K9F2G08U0A 是8位IO口，因此这里只用到了NFMECC0），spare区的ECC保存到NFSECC中。对于读操作来说，我们还要继续读取spare 区的相应地址内容，已得到上次写操作时所存储的main区和spare区的ECC，并把这些数据分别放入NFMECCD0/1和NFSECCD 的相应位置中。最后我们就可以通过读取NFESTAT0/1（因为K9F2G08U0A是8位IO口，因此这里只用到了NFESTAT0）中的低4位来判断读取的数据是否正确，其中第0位和第1位为main区指示错误，第2位和第3位为spare区指示错误。

下面就给出一段具体的页读操作程序：

U8 rNF_ReadPage(U32 page_number)

{

U32 i, mecc0, secc;

NF_RSTECC(); //复位ECC

NF_MECC_UnLock(); //解锁main区ECC

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((page_number) & 0xff); //行地址A12~A19

NF_ADDR((page_number >> 8) & 0xff); //行地址A20~A27

NF_ADDR((page_number >> 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++)

{ buffer[i] = NF_RDDATA8();

}

NF_MECC_Lock(); //锁定main区ECC值

NF_SECC_UnLock(); //解锁spare区ECC

mecc0=NF_RDDATA(); //读spare区的前4个地址内容，即第2048~2051地址，这4个字节为main区的ECC //把读取到的main区的ECC校验码放入NFMECCD0/1的相应位置内

rNFMECCD0=((mecc0&0xff00)<<8)|(mecc0&0xff);

rNFMECCD1=((mecc0&0xff000000)>>8)|((mecc0&0xff0000)>>16);

NF_SECC_Lock(); //锁定spare区的ECC值

secc=NF_RDDATA();//继续读spare区的4个地址内容，即第2052~2055地址，其中前2个字节为spare区的ECC值 把读取到的spare区的ECC校验码放入NFSECCD的相应位置内

rNFSECCD=((secc&0xff00)<<8)|(secc&0xff);

NF_nFCE_H(); //关闭nandflash片选

//判断所读取到的数据是否正确

if ((rNFESTAT0&0xf) == 0x0)

return 0x66; //正确

else

return 0x44; //错误

}

这段程序是把某一页的内容读取到全局变量数组buffer中。该程序的输入参数直接就为K9F2G08U0A的第几页，例如我们要读取第128064页中的内容，可以调用该程序为：rNF_ReadPage(128064);。由于第128064页是第2001块中的第0页（128064＝2001×64＋0），所以为了更清楚地表示页与块之间的关系，也可以写为：rNF_ReadPage(2001*64);。

页写操作的大致流程为：在两个写命令周期之间分别写入页地址和数据，当然如果为了保证下次读取该数据时的正确性，还需要把main区的ECC值和spare区的ECC值写入到该页的spare区内。然后我们还需要读取状态寄存器，以判断这次写操作是否正确。下面就给出一段具体的页写操作程序，其中输入参数也是要写入数据到第几页：

U8 rNF_WritePage(U32 page_number)

{

U32 i, mecc0, secc;

U8 stat, temp;