嵌入式系統中Nand-Flash的原理及應用

當前各類嵌入式系統開發設計中，儲存模組是不可或缺的重要方面。NOR和NAND是目前市場上兩種主要的非易失快閃記憶體技術。

       Nor-flash儲存空間的容量較小、寫入速度較慢，但因其隨機讀取速度快，因此在嵌入式系統中，常應用在程式碼的儲存中。Nor-flash儲存空間的內部結構決定它不適合朝大容量發展;而Nand-flash儲存空間結構則能提供極高的單元密度，可以達到很大的儲存容量，並且寫入和擦除的速度也很快。    

       Nand-flash儲存空間是flash儲存空間的-種，其內部採用非線性宏單元模式，為固態大量存放區的實現提供了廉價有效解決方案。Nand-flash儲存空間具有容量較大，改寫速度快，適用於大量資料的儲存，因而在業界得到了越來越廣泛的應用，如嵌入式產品中包括數位相機、MP3隨身聽記憶卡、體積小巧的隨身碟等。     本文以三星公司的K9F1208UOB晶片為例，介紹Nand-flash儲存空間晶片的讀寫流程和時序。

      1 Nand-Flash儲存空間的工作原理

      1.1 Nand-Flash儲存空間的組成結構及指令集    

      K9F1208UOB的容量為64Mb，儲存空間按128K個頁(行)、每頁中528個位元組(列)的組成方式構成。備用的16列，位於列地址的512-527。K9F1208UOB還將儲存空間分為塊(block)，每1塊由32個頁構成。因此K9F1208UOB中一共有4096個塊。這種“塊-頁”結構，恰好能滿足檔案系統中劃分簇和扇區的結構要求。K9F1208UOB的內部結構1所示。  

                                            圖1 K9F1208UOB的內部結構    

      K9F1208UOB的讀和寫都以頁為單位，擦除則以塊為單位進行操作。    

      K9F1208UOB的地址通過8位連接埠傳送，有效地節省了引腳的數量，並能夠保持不同密度器件引腳的一致性，系統可以在電路不作改動的情況下升級為高容量儲存空間件。    

       K9F1208UOB通過CLE和ALE訊號線實現I/O口上指令和地址的複用。指令、地址和資料都通過拉低WE和CE從I/O口寫入器件中。有一些指令只需要一個匯流排周期完成，例如，複位指令、讀指令和狀態讀指令等;另外一些指令，例如頁寫入和塊擦除，則需要2個周期，其中一個周期用來啟動，而另一個周期用來執行。

       1.2 Nand-Flash操作        1.2.1 頁讀操作    

       在初始上電時，器件進入預設的“讀方式1模式”。在這一模式下，頁讀操作通過將00h指令寫入指令寄存器，接著寫入3個地址(1個列地址，2個行地址)來啟動。一旦頁讀指令被器件鎖存，下面的頁讀操作就不需要再重複寫入指令了。    

       寫入指令和地址後，處理器可以通過對訊號線R/B的分析來判斷該操作是否完成。如果訊號為低電平，表示器件正“忙”;為高電平，說明器件內部操作完成，要讀取的資料被送入了資料寄存器。外部控制器可以在以50ns為周期的連續RE脈衝訊號的控制下，從I/O口依次讀出資料。連續頁讀操作中，輸出的資料是從指定的列地址開始，直到該頁的最後-個列地址的資料為止。

       1.2.2 頁寫操作    

       K9F1208UOB的寫入操作也以頁為單位。寫入必須在擦除之後，否則寫入將出錯。    

       頁寫入周期總共包括3個步驟：寫入串列資料輸入指令(80h)，然後寫入3個位元組的地址資訊，最後串列寫入資料。串列寫入的資料最多為528位元組，它們首先被寫入器件內的頁寄存器，接著器件進入一個內部寫入過程，將資料從頁寄存器寫入儲存宏單元。    

       串列資料寫入完成後，需要寫入“頁寫入確認”指令10h，這條指令將初始化器件的內部寫入操作。如果單獨寫入10h而沒有前面的步驟，則10h不起作用。10h寫入之後，K9F1208UOB的內部寫控制器將自動執行內部寫入和校正中必要的演算法和時序，這時系統控制器就可以去做別的事了。    

       內部寫入操作開始後，器件自動進入“讀狀態寄存器”模式。在這一模式下，當RE和CE為低電平時，系統可以讀取狀態寄存器。可以通過檢測R/B的輸出，或讀狀態寄存器的狀態位(I/O 6)來判斷內部寫入是否結束。在器件進行內部寫入操作時，只有讀狀態寄存器指令和複位指令會被響應。當頁寫入操作完成，應該檢測寫狀態位(I/O 0)的電平。    

       內部寫校正只對沒有成功地寫為0的情況進行檢測。指令寄存器始終保持著讀狀態寄存器模式，直到其他有效指令寫入指令寄存器為止。

       1.2.3 塊擦除    

       擦除操作是以塊為單位進行的。擦除的啟動指令為60h，塊地址的輸入通過兩個刻度完成。這時只有地址位A14到A24是有效，A9到A13則被忽略。塊地址載入之後執行擦除確認指令D0h，它用來初始化內部擦除操作。擦除確認命令還用來防止外部幹擾產生擦除操作的意外情況。器件檢測到擦除確認命令輸入後，在WE的上升沿啟動內部寫控制器開始執行擦除和擦除校正。內部擦除操作完成後，檢測寫狀態位(I/O 0)，從而瞭解擦除操作是否有錯誤發生。

       1.2.4 讀狀態寄存器    

       K9F1208UOB包含一個狀態寄存器，該寄存器反應了寫入或擦除操作是否完成，或寫入和擦除操作是否無錯。寫入70h指令，啟動讀狀態寄存器周期。狀態寄存器的內容將在CE或RE的下降沿處送出至I/O連接埠。    

       器件一旦接收到讀狀態寄存器的指令，它就將保持狀態寄存器在讀狀態，直到有其他的指令輸入。因此，如果在任意讀操作中採用了狀態寄存器瀆操作，則在連續頁讀的過程中，必須重發00h或50h指令。

       1.2.5 讀器件ID    

       K9F1208UOB器件具有一個產品評鑑識別碼(ID)，系統控制器可以讀出這個ID，從而起到辨識器件的作用。讀ID的步驟是：寫入90h指令，然後寫入一個地址00h。在兩個讀周期下，廠商代碼和器件代碼將被連續輸出至I/O口。    

       同樣，一旦進入這種命令模式，器件將保持這種命令狀態，直到接收到其他的指令為止。

       1.2.6 複位    

       器件提供一個複位(RESET)指令，通過向指令寄存器寫入FFh來完成對器件的複位。當器件處於任意讀模式、寫入或擦除模式的忙狀態時，發送複位指令可以使器件中止當前的操作，正在被修改的儲存空間宏單元的內容不再有效，指令寄存器被清零並等待下一條指令的到來。當WP為高時，狀態寄存器被清為C0h。

       2 系統硬體連線及軟體設計

       2.1硬體連線     K9F1208UOB和S3C2440A的介面電路2所示。  

                                   圖2 K9F1208UOB與S3C2440A硬體電路

       2.2 軟體設計

       步驟1：Nand-Flash初始化    

        利用ADS1.2等工具建立工程檔案nandflash_test.mcp，在Nand.c檔案中Test_K9S1208子函數實現了主要測試功能。         gpacon = rGPACON;         rGPACON=(rGPACON &~(0x3f<<17))|(0x3f<<17);         首先備份rGPACON的內容，再設定GPA17-22的工作方式。然後調用Nand-Flash初始化函數。         NF8_Init0;//初始化函數         初始化函數的實現源碼如下：         rNFCONF=(TACLS<<12)|(TWRPH0<<8)I(TWRPH1<<4)|(0<<0)：         rNFCONT=(0<<13)|(0<<12)|(0<<10)|(0<<9)|(0<<8)|(1<<6)|(1<<5)|(1<<4)|(1<<1)|(1<<0)：

        步驟2：讀器件ID碼    

        由於S3C2440A中沒有像支援SDRAM 一樣提供直接與Nand-flash儲存空間的介面，讀寫的過程要靠軟體編程來完成。初始化Nand-Flash後，就可以對Nand-Flash進行操作了。         程式調用NF8_Print_Id()子函數讀出器件ID碼。         id=NF8_CheckId(); //繼續調用子函數         device=(U8)id;         maker=(U8)(id>>8)：         Uart_Printf("Maker:%x,Device:%x ",maker,device);         NF8_Print_Id()源碼如下：         NF_CMD(0x90);//寫入90h指令         NF_ADDR(0x0);//寫入地址00h         for(i=0;i<10;i++);         Uart_Printf("NFSTAT:0x%x ",rNFSTAT);         id=NF_RDDATA8()<<8;//Maker code 0xec讀出ID值         id |=NF_RDDATA8();         //Devide code(K9S1208V:0x76)，(K9K2G16U0M:0xca)        

       步驟3：頁讀寫程式    

       本實驗實現了某頁的寫及讀出驗證功能。Test_NFS_Rw子函數實現這一功能。    

        程式首先初始化要寫入的資料，*dstPt是要讀出驗證的資料，先填0;*srcPt是要寫入的資料，先用隨機數填滿。

        for(i=0;i<512;i++) *dstPt++=0x0;//填0         for(i=0;i<512;i++){         #if ADS10==TRUE         if(offset==-1) *srcPt++=rand()%0xff;//隨機數填滿         #else         if(offset==-1) srcPt++ =i%0xf;         #endif         else *srcPt++=i+offset;         }         寫之前先進行擦除工作：         if(NF8_EraseBIock(block)==FAIL) return;         然後進行頁寫入操作：         if(NF8_WritePage(block,page,srcPt)==FAIL) return;         將用隨機數填滿的srcPt指向的資料寫入到指定的頁中。寫入之後再讀出驗證：         if(NF8_ReadPage(block,page,dstPt)==FAIL) return;         Uart_Printf("Checking data. ");         for(error=0,i=0;i<512;i++){         if(*srcPt++!=*dstPt++){//比較操作         Uart_Printf("Error:%d[W:%x,R:%x] ",i,*srcPt,*dstPt);         error++;         }         }         if(error!=0)         {Uart_Printf("Fail to R/W test(%d). ",error);         return(2);         }         else         {Uart_Printf("R/W test OK. ");         return(1);         }  

       其中NF8_ReadPage(block,page,dstPt)將讀出的資料放入dstPt指向的地址空間裡。最後將寫入的資料和讀出的資料比較，列印驗證資訊。

       步驟4：編譯工程    

        所有的函數都實現以後，通過ADS1.2進行編澤，產生可執行檔。在工程檔案夾" andflash_testaandflash_test_DatakDebugRel"下，可以看到nandflash_test.bin可執行檔。

       步驟5：下載程式運行    

       將串口線與硬體開發系統板串口和開發PC機的COM1串連好(主要用於回顯)，用USB線和開發PC 機的USB口相連後(主要用於資料的下載)，開啟DNW 軟體，將串口設定為COM1，位元速率設定為115200，USB設為0x30000000。    

       使用DNW 將前面產生的可執行檔下載到記憶體中去運行。

       3 結束語    

       本文主要討論了Nand-flash儲存空間晶片的工作原理以及以三星公司基於ARM公司的ARM920T處理器核S3C2440A為平台舉了一個測試執行個體，讓讀者對整個儲存系統的軟硬體設計過程有了一個較為全面的瞭解，便於在其它嵌入式系統設計中運用。

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