大容量NAND Flash TC58DVG02A1FT00在嵌入式系统中的应用

liyf

大容量NAND Flash TC58DVG02A1FT00在嵌入式系统中的应用

摘要：随着嵌入式系统产品的发展，对存储设备的要求也日益增强。文章以东芝的NAND E2PROM器件TC58DVG02A1F00为例，阐述了NAND Flash的基本结构和使用方法，对比了NAND和NOR Flash的异同，介绍了容量NAND Flash在嵌入式系统中的应用方法，以及如何在Linux操作系统中加入对NAND Flash的支持。    关键词：嵌入式 NAND Flash Linux 内核 TC58DVG02A1F00
1 NAND和NOR flash
目前市场上的flash从结构上大体可以分为AND、NAND、NOR和DiNOR等几种。其中NOR和DiNOR的特点为相对电压低、随机读取快、功耗低、稳定性高，而NAND和AND的特点为容量大、回写速度快、芯片面积小。现在，NOR和NAND FLASH的应用最为广泛，在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards、MMC存储卡以及USB闪盘存储器市场都占用较大的份额。
NOR的特点是可在芯片内执行（XIP，eXecute In Place），这样应该程序可以直接在flash内存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高，但写入和探险速度较低。而NAND结构能提供极高的单元密度，并且写入和擦除的速度也很快，是高数据存储密度的最佳选择。这两种结构性能上的异同步如下：
*NOR的读速度比NAND稍快一些。
*NAND的写入速度比NOR快很多。
*NAND的擦除速度远比NOR快。
*NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路也更加简单。
*NAND闪存中每个块的最大擦写次数量否万次，而NOR的擦写次数是十万次。
此外，NAND的实际应用方式要比NOR复杂得多。NOR可以直接使用，并在上面直接运行代码。而NAND需要I/O接口，因此使用时需要驱动程序。不过当今流行的操作系统对NAND Flash都有支持，如风河（拥有VxWorks系统）、微软（拥有WinCE系统）等公司都采用了TrueFFS驱动，此外，Linux内核也提供了对NAND Flash的支持。
2 大容量存储器TC58DCG02A1FT00
2．1 引脚排列和功能
TC58DVG02A 1FT00是Toshiba公司生产的1Gbit(128M×8Bit)CMOS NAND E2PROM，它的工作电压为3.3V，内部存储结构为528 bytes×32pages×8192blocks。而大小为528字节，块大小为（16k+512）字节。其管脚排列如图1所示。各主要引脚如下：
I/O1~I/O8：8个I/O口；
CE：片选信号，低电平有效；
WE：写使能信号，低电平有效；
RE：读使能信号，低电平有效；
CLE：命令使能信号；
ALE：地址使能信号；
WP：写保护信号，低电平有效；
RY/BY：高电平时为READY信号，低电平时为BUSY信号。
2．2 与ARM处理器的连接
当前嵌入式领域的主流处理器当属ARM。图2是以ARM7处理器为例给出的NAND Flash与ARM处理器的一般连接方法。如前所述，与NOR Flash不同，NAND Flash需要驱动程序才能正常工作。
图中PB4，PB5，PB6是ARM处理器的GPIO口，可用来控制NAND Flash的片选信号。CS1是处理器的片选信号，低电平有效。IORD、IOWR分别是处理器的读、写信号，低电平有效。写保护信号在本电路中没有连接。
2．3 具体操作
地址输入，命令输入以及数据的输入输出，都是通过NAND Flash的CLE、ALE、CE、WE、RE引脚控制的。具体方式如表1所列。

表1 逻辑表

	CLE	ALE	CE	WE	RE
命令输入	1	0	0	时钟上升沿	1
数据输入	0	0	0	时钟上升沿	1
地址输入	0	1	0	时钟上升沿	1
串行数据输出	0	0	0	1	时钟下降沿
待机状态	X	X	1	X	X

NAND Flash芯片的各种工作模式，如读、复位、编程等，都是通过命令字来进行 控制的。部分命令如表2所列。

表2 命令表

	第一周期（Hex）	第二周期（Hex）
串行数据输入	80	无
读模式1	00	无
读模式2	01	无
读模式3	50	无
复位	FF	无
自动编程（真）	10	无
自动编程（假）	11	无
自动块删除	60	D0
状态读取1	70	无
状态读取2	71	无
ID读取1	90	无
ID读取2	91	无

串行数据输入的命令80表示向芯片的IO8、IO7、IO6、IO5、IO4、IO3、IO2、IO1口发送0x80，此时除IO8为1外，其余IO口均为低电平。
2．4 时序分析及驱动程序
下面以表2中的读模式1为例分析该芯片的工作时序。由图3可知，CLE信号有效时通过IO口向命令寄存器发送命令00H。此时NAND Flash处于写状态，因此WE有铲，RE无效。发送命令后，接着发送要读的地址，该操作将占用WE的1、2、3、4个周期。注意，此时发送的是地址信息，因此CLE为低，而ALE为高电平。当信息发送完毕后，不能立刻读取数据，因为芯片此时处于BUSY（忙）状态，需要等待2~20ms。之后，才能开始真正的数据读取。此时WE为高电平而处于无效状态，同时CE片选信号也始终为低以表明选中该芯片。
这段时序的伪代码如下：
Read_func(cmd,addr)
{
RE=1;
ALE=0;
CLE=1;
WE=0;
CE=0;
Send_cmd(cmd);//发送命令，由参数决定，这里为00
WE=1； //上升沿取走命令

    CE=1；
CLE=0； //发送命令结束
ALE=1； //开始发送地址
For(i=0;i<4;i++)
{
WE=0;
CE=0;
Send_add(addr);//发送地址
WE=1； /上升沿取走地址
CE=1；
}
//所有数据发送结束，等待读取数据
CE=0；
WE=1；
ALE=0；
Delay(2ms);
While(BUSY)
Wait;//如果还忙则继续等待
Read_data(buf);//开始读取数据
}

3 Linux系统对NAND Flash的支持
Linux操作系统虽然已经支持NAND Flash，但要使用NAND Flash设备，还必须先对内核进行设置方法如下：
（1）在/usr/src/(内核路径名)目录中输入make menuconfig命令，再打开主菜单，进入Memory Technology Devices(MTD)选项，选中MTD支持。
（2）进入NAND Flash Device Drivers选项，NAND设备进行配置。不过此时对NAND的支持仅限于Linux内核自带的驱劝程序，没有包含本文介绍的Toshiba芯片，为此需要对Linux内核进行修改，方法如下：
（1）修改内核代码的drivers.in文件，添加下面一行：
dep-tristate ‘Toshiba NAND Device Support‘CONFIG-MTD-TOSHIBA $CONFIG-MTD
其中CONFIG-MTD-TOSHIBA是该设备的名称，将在Makefile文件中用到。
$CONFIG-MTD的意思是只有选有$CONFIG-MTD时，该菜单才会出现，即依赖于$CONFIG-MTD选项。宋，Toshiba的NAND设备将被加入Linux系统内核菜单中。
（2）修改相应的Makefile文件，以便编译内核时能加入该设备的驱动程序。
obj-$(CONFIG-MTD-TOSHIBA)+=toshiba.o
此行语句的意思是如果选择了该设备，编译内核时加入toshiba.o（假设驱动程序是toshiba.o），反之不编译进内核。

李小路

谢谢分享