NAND FLASH读写原理

liyf · 发表于 2013-10-16 23:48:50

一、结构分析
S3C2410处理器集成了8位Nand Flash控制器。目前市场上常见的8位NandFlash有三星公司的k9f1208、k9f1g08、k9f2g08等。k9f1208、k9f1g08、k9f2g08的数据页大小分别为512Byte、2kByte、2kByte。它们在寻址方式上有一定差异，所以程序代码并不通用。本文以S3C2410处理器和k9f1208系统为例，讲述NandFlash的读写方法。

NandFlash的数据是以bit 的方式保存在memory cell里的，一般来说，一个cell 中只能存储一个bit，这些cell 以8 个或者16 个为单位，连成bit line，形成所谓的byte(x8)/word(x16)，这就是NAND Device 的位宽。这些Line 组成Page， page 再组织形成一个Block。k9f1208的相关数据如下：

1block=32page；1page=528byte=512byte(Main Area)+16byte(Spare Area)。

总容量为=4096（block数量）*32（page/block）*512(byte/page)=64Mbyte

NandFlash以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据。按照k9f1208的组织方式可以分四类地址： Column Address、halfpage pointer、Page Address 、Block Address。A[0:25]表示数据在64M空间中的地址。

Column Address表示数据在半页中的地址，大小范围0~255，用A[0:7]表示；

halfpage pointer表示半页在整页中的位置，即在0~255空间还是在256~511空间，用A[8]表示；

Page Address表示页在块中的地址，大小范围0~31，用A[13:9]表示；

Block Address表示块在flash中的位置，大小范围0~4095，A[25:14] 表示；

二、读操作过程

K9f1208的寻址分为4个cycle。分别是：A[0:7]、A[9:16]、A[17:24]、A[25]。
读操作的过程为: 1、发送读取指令；2、发送第1个cycle地址；3、发送第2个cycle地址；4、发送第3个cycle地址；5、发送第4个cycle地址；6、读取数据至页末。

K9f1208提供了两个读指令，‘0x00’、‘0x01’。这两个指令区别在于‘0x00’可以将A[8]置为0，选中上半页；而‘0x01’可以将A[8]置为1，选中下半页。

虽然读写过程可以不从页边界开始，但在正式场合下还是建议从页边界开始读写至页结束。下面通过分析读取页的代码，阐述读过程。

static void ReadPage(U32 addr, U8 *buf) //addr表示flash中的第几页，即‘flash地址>>9’
{
U16 i;
NFChipEn(); //使能NandFlash
WrNFCmd(READCMD0); //发送读指令‘0x00’，由于是整页读取，所以选用指令‘0x00’
WrNFAddr(0); //写地址的第1个cycle，即Column Address，由于是整页读取所以取0
WrNFAddr(addr); //写地址的第2个cycle，即A[9:16]
WrNFAddr(addr>>8); //写地址的第3个cycle，即A[17:24]
WrNFAddr(addr>>16); //写地址的第4个cycle，即A[25]。
WaitNFBusy(); //等待系统不忙
for(i=0; i<512; i++)
buf = RdNFDat(); //循环读出1页数据
NFChipDs(); //释放NandFlash
}

三、写操作过程

写操作的过程为: 1、发送写开始指令；2、发送第1个cycle地址；3、发送第2个cycle地址；4、发送第3个cycle地址；5、发送第4个cycle地址；6、写入数据至页末；7、发送写结束指令

下面通过分析写入页的代码，阐述读写过程。

static void WritePage(U32 addr, U8 *buf) //addr表示flash中的第几页，即‘flash地址>>9’
{
U32 i;
NFChipEn(); //使能NandFlash
WrNFCmd(PROGCMD0); //发送写开始指令’0x80’
WrNFAddr(0); //写地址的第1个cycle
WrNFAddr(addr); //写地址的第2个cycle
WrNFAddr(addr>>8); //写地址的第3个cycle
WrNFAddr(addr>>16); 写地址的第4个cycle
WaitNFBusy(); //等待系统不忙
for(i=0; i<512; i++)
WrNFDat(buf); //循环写入1页数据
WrNFCmd(PROGCMD1); //发送写结束指令’0x10’
NFChipDs(); //释放NandFlash
}

四、总结

本文以S3C2410处理器和k9f1208系统为例讲述了nand flash的读写过程。在读写过程中没有考虑到坏块问题，有关ecc及坏块处理问题将在下个专题中讲述。

我的板子上使用的是SAMSUNG的K9F1208U0B，下面我将对此型号的NandFlash读取操作做一个讲解。
首先我们先从物理结构上来了解这颗芯片，结构图如下所示
正如硬盘的盘片被分为磁道，每个磁道又被分为若干扇区，一块Nand Flash被分为若干Block,每个Block又被分为若干Page。
由上图我们可以知道flash中Byte(字节)，Page(页),Block（块）3个单位之间的关系为
1 Page =512 Bytes Data Field+ 16 Bytes Spare Field
1 Blcok="32" Pages
我们讨论的K9F1208U0B总共有4096 个Blocks，故我们可以知道这块flash的容量为4096 *(32 *528)= 69206016 Bytes = 66 MB
但事实上每个Page上的最后16Bytes是用于存贮检验码用的，并不能存放实际的数据，所以实际上我们可以操作的芯片容量为
4096 *(32 *512) = 67108864 Bytes = 64 MB
由上图所示，1个Page总共由528 Bytes组成，这528个字节按顺序由上而下以列为单位进行排列（1列代表一个Byte。第0行为第0 Byte ，第1行为第1 Byte，以此类推，每个行又由8个位组成，每个位表示1个Byte里面的1bit）。这528Bytes按功能分为两大部分，分别是Data Field和Spare Field，其中Spare Field占528Bytes里的16Bytes,这16Bytes是用于在读写操作的时候存放校验码用的，一般不用做普通数据的存储区，除去这16Bytes,剩下的512Bytes便是我们用于存放数据用的Data Field，所以一个Page上虽然有528个Bytes，但我们只按512Bytes进行容量的计算。
Data Field按位置关系又可分为两个部分，分别称为1st half与2nd half，每个half各占256个bytes。或许你会感到纳闷，为什么要把DataField分为两个部分？把他们看做一个整体进行操作不就好了吗？呵呵，凡事都有因果关系，这么分块自然有它的道理所在，但现在还不是告诉你答案的时候。我们还是先讨论一下它的操作吧。
对K9F1208U0B的操作是通过向Nand Flash命令寄存器（对于s3c2410来说此寄存器为NFCMD，内存映射地址为0x4e000004）发送命令队列进行的，为什么说是命令队列？就是因为要完成某个操作的时候发送的不是一条命令，而是连续几条命令或是一条命令加几个参数
下面是K9F1208U0B的操作命令集：
读命令有两个，分别是 Read1,Read2其中Read1用于读取Data Field的数据，而Read2则是用于读取Spare Field的数据。对于Nand Flash来说，读操作的最小操作单位为Page，也就是说当我们给定了读取的起始位置后，读操作将从该位置开始，连续读取到本Page的最后一个Byte为止（可以包括Spare Field）
Nand Flash的寻址
Nand Flash的地址寄存器把一个完整的Nand Flash地址分解成Column Address与Page Address.进行寻址
Column Address: 列地址。Column Address其实就是指定Page上的某个Byte，指定这个Byte其实也就是指定此页的读写起始地址。
Page Address：页地址。由于页地址总是以512Bytes对齐的，所以它的低9位总是0。确定读写操作是在Flash上的哪个页进行的。
Read1命令
当我们得到一个Nand Flash地址src_addr时我们可以这样分解出Column Address和Page Address
column_addr=src_addr%512;                         // column address
page_address=(src_addr>>9);                      // page address

也可以这么认为，一个Nand Flash地址的A0~A7是它的column_addr，A9~A25是它的Page Address。(注意地址位A8并没有出现，也就是A8被忽略，在下面你将了解到这是什么原因)
Read1命令的操作分为4个Cycle，发送完读命令00h或01h（00h与01h的区别请见下文描述）之后将分4个Cycle发送参数，1st.Cycle是发送Column Address。2nd.Cycle ,3rd.Cycle和4th.Cycle则是指定Page Address（每次向地址寄存器发送的数据只能是8位，所以17位的Page Address必须分成3次进行发送）。
4个Cycle
你是否还记得我上文提到过的Data Field被分为1st half 和2end half两个部分？而从上面的命令集我们看到Read1的命令里面出现了两个命令选项，分别是00h和01h。这里出现了两个读命是否令你意识到什么呢？是的，00h是用于读写1st half的命令，而01h是用于读取2nd half的命令。现在我可以结合上图给你说明为什么K9F1208U0B的DataField被分为2个half了。
如上文我所提及的，Read1的1st.Cycle是发送Column Address，假设我现在指定的Column Address是0，那么读操作将从此页的第0号Byte开始一直读取到此页的最后一个Byte(包括Spare Field)，如果我指定的Column Address是127，情况也与前面一样，但不知道你发现没有，用于传递Column Address的数据线有8条（I/O0~I/O7，对应A0~A7，这也是A8为什么不出现在我们传递的地址位中），也就是说我们能够指定的Column Address范围为0~255，但不要忘了，1个Page的DataField是由512个Byte组成的，假设现在我要指定读命令从第256个字节处开始读取此页，那将会发生什么情景？我必须把Column Address设置为256，但Column Address最大只能是255，这就造成数据溢出。。。正是因为这个原因我们才把Data Field分为两个半区，当要读取的起始地址（Column Address）在0~255内时我们用00h命令，当读取的起始地址是在256~511时，则使用01h命令.假设现在我要指定从第256个byte开始读取此页，那么我将这样发送命令串
column_addr=256;
NF_CMD=0x01;                                         从2nd half开始读取
NF_ADDR=column_addr&0xff;                      1st Cycle
NF_ADDR=page_address&0xff;                      2nd.Cycle
NF_ADDR=(page_address>>8)&0xff;             3rd.Cycle
NF_ADDR=(page_address>>16)&0xff;          4th.Cycle
其中NF_CMD和NF_ADDR分别是NandFlash的命令寄存器和地址寄存器的地址解引用，我一般这样定义它们，
#define rNFCMD       (*(volatile unsigned char *)0x4e000004)       //NADD Flash command
#define rNFADDR       (*(volatile unsigned char *)0x4e000008)       //NAND Flash address
事实上，当NF_CMD=0x01时，地址寄存器中的第8位（A8）将被设置为1（如上文分析，A8位不在我们传递的地址中，这个位其实就是硬件电路根据01h或是00h这两个命令来置高位或是置低位），这样我们传递column_addr的值256随然由于数据溢出变为1，但A8位已经由于NF_CMD=0x01的关系被置为1了，所以我们传到地址寄存器里的值变成了
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8
1    0    0    0    0    0    0    0    1
这8个位所表示的正好是256，这样读操作将从此页的第256号byte（2nd half的第0号byte）开始读取数据。
Read2
Read2则是指定读取Spare Field的内容
其实Read1和Read2都是读命令，他们的区别相当于对一个读指针进行不同区域的定位。
nand_flash.c中包含3个函数
void nf_reset(void);
void nf_init(void);
void nf_read(unsigned int src_addr,unsigned char *desc_addr,int size);
nf_reset()将被nf_init()调用。
nf_init()是nand_flash的初始化函数，在对nand flash进行任何操作之前，nf_init()必须被调用。
nf_read(unsigned int src_addr,unsigned char *desc_addr,int size);为读函数，src_addr是nand flash上的地址，desc_addr是内存地址，size是读取文件的长度。
在nf_reset和nf_read函数中存在两个宏
NF_nFCE_L();
NF_nFCE_H();
你可以看到当每次对Nand Flash进行操作之前NF_nFCE_L()必定被调用，操作结束之时NF_nFCE_H()必定被调用。这两个宏用于启动和关闭Flash芯片的工作（片选/取消片选）。
至于nf_reset()中的
rNFCONF=(1<<15)|(1<<14)|(1<<13)|(1<<12)|(1<<11)|(TACLS<<8)|(TWRPH0<<4)|(TWRPH1<<0);
这一行代码是对NandFlash的控制寄存器进行初始化配置,rNFCONF是Nand Flash的配置寄存器，各个位的具体功能请参阅s3c2410数据手册。
现在举一个例子，假设我要从Nand Flash中的第5000字节处开始读取1024个字节到内存的0x30000000处，我们这样调用read函数
nf_read(5000, 0x30000000,1024);
我们来分析5000这个src_addr.
根据
column_addr=src_addr%512;
page_address=(src_addr>>9);
我们可得出column_addr=5000%512=392
page_address=(5000>>9)=9
于是我们可以知道5000这个地址是在第9页的第392个字节处，于是我们的nf_read函数将这样发送命令和参数
column_addr=5000%512;
page_address=(5000>>9);
NF_CMD=0x01;                                           从2nd half开始读取
NF_ADDR= column_addr &0xff;                      1st Cycle
NF_ADDR=page_address&0xff;                      2nd.Cycle
NF_ADDR=(page_address>>8)&0xff;             3rd.Cycle
NF_ADDR=(page_address>>16)&0xff;          4th.Cycle
向NandFlash的命令寄存器和地址寄存器发送完以上命令和参数之后,我们就可以从rNFDATA寄存器(NandFlash数据寄存器)读取数据了.
我用下面的代码进行数据的读取.
for(i=column_addr;i<512;i++)
{
      *buf++=NF_RDDATA();
}
每当读取完一个Page之后,数据指针会落在下一个Page的0号Column(0号Byte).

Fisrt part ：
NAND flash和NOR flash的不同

NOR flash采用位读写，因为它具有sram的接口，有足够的引脚来寻址，可以很容易的存取其内部的每一个字节。NAND flash使用复杂的I/O口来穿行地存取数据。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。NAND的读和写单位为512Byte的页，擦写单位为32页的块。
● NOR的读速度比NAND稍快一些。
　　● NAND的写入速度比NOR快很多。
　　● NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。
　　● 大多数写入操作需要先进行擦除操作。
　　● NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。
在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持，在NAND器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序(MTD)，NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。
---------摘抄自网上流传很广的《NAND 和 NOR flash的区别》

Second part：
NAND Flash结构与驱动分析

一、NAND flash的物理组成
NAND Flash 的数据是以bit的方式保存在memory cell，一般来说，一个cell 中只能存储一个bit。这些cell 以8个或者16个为单位，连成bit line，形成所谓的byte(x8)/word(x16)，这就是NAND Device的位宽。这些Line会再组成Page，(NAND Flash 有多种结构，我使用的NAND Flash 是K9F1208,下面内容针对三星的K9F1208U0M)，每页528Bytes(512byte(Main Area)+16byte(Spare Area))，每32个page形成一个Block(32*528B)。具体一片flash上有多少个Block视需要所定。我所使用的三星k9f1208U0M具有4096个block，故总容量为4096*（32*528B）=66MB，但是其中的2MB是用来保存ECC校验码等额外数据的，故实际中可使用的为64MB。
NAND flash以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据。按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址：
Column Address：Starting Address of the Register. 翻成中文为列地址，地址的低8位
Page Address ：页地址
Block Address ：块地址
对于NAND Flash来讲，地址和命令只能在I/O[7:0]上传递，数据宽度是8位。

二、NAND Flash地址的表示
512byte需要9bit来表示，对于528byte系列的NAND，这512byte被分成1st half Page Register和2nd half Page Register，各自的访问由地址指针命令来选择，A[7:0]就是所谓的column address（列地址），在进行擦除操作时不需要它，why？因为以块为单位擦除。32个page需要5bit来表示，占用A[13:9]，即该page在块内的相对地址。A8这一位地址被用来设置512byte的1st half page还是2nd half page，0表示1st，1表示2nd。Block的地址是由A14以上的bit来表示。
例如64MB（512Mb）的NAND flash（实际中由于存在spare area,故都大于这个值），共4096block，因此，需要12个bit来表示，即A[25:14]，如果是128MB(1Gbit) 的528byte/page的NAND Flash，则block address用A[26:14]表示。而page address就是blcok address|page address in block NAND Flash 的地址表示为： Block Address|Page Address in block|halfpage pointer|Column Address 地址传送顺序是Column Address,Page Address,Block Address。
由于地址只能在I/O[7:0]上传递，因此，必须采用移位的方式进行。例如，对于512Mbit x8的NAND flash，地址范围是0~0x3FF_FFFF，只要是这个范围内的数值表示的地址都是有效的。以NAND_ADDR 为例：
第1 步是传递column address，就是NAND_ADDR[7:0]，不需移位即可传递到I/O[7:0]上，而halfpage pointer即A8 是由操作指令决定的，即指令决定在哪个halfpage 上进行读
写，而真正的A8 的值是不需程序员关心的。
第2 步就是将NAND_ADDR 右移9位，将NAND_ADDR[16:9]传到I/O[7:0]上；
第3 步将NAND_ADDR[24:17]放到I/O上；
第4步需要将NAND_ADDR[25]放到I/O上；
因此，整个地址传递过程需要4 步才能完成，即4-step addressing。如果NAND Flash 的容量是32MB（256Mbit）以下，那么，block adress最高位只到bit24，因此寻址只需要3步。
下面，就x16 的NAND flash 器件稍微进行一下说明。由于一个page 的main area 的容量为256word，仍相当于512byte。但是，这个时候没有所谓的1st halfpage 和2nd halfpage 之分了，所以，bit8就变得没有意义了，也就是这个时候 A8 完全不用管，地址传递仍然和x8 器件相同。除了，这一点之外，x16 的NAND使用方法和 x8 的使用方法完全相同。

三、NAND flash驱动解读
以前由于做移植多一些，那些工作很简单（现在看来），从来都不用去关心驱动里面到底怎么实现的，这几次面试才发现真的是学的太浅了，似乎我还在学习仰泳而那些牛人基本都属于潜水级的了，潜的不知有多深。我对照着开发板所带的NAND flash驱动和k9f1208的芯片资料把这些代码通读了一遍，终于明白了NAND flash的读写过程是如何实现的了。我所参考的驱动是mizi公司为三星芯片所写的，我看看了，大概和官方2.4.18内核的nand.c差不多。
在s3c2410处理器中有专门的NAND flash控制器，他们位于SFR区，具体可以参看s3c2410用户手册。以下的这些代码均可以在vivi或者kernel里面找到，文中会标明程序出自何处。在vivi中，有关NAND flash的驱动都在driver/mtd/nand/下，该目录中包含的源文件：smc_core.c是NAND flash的主要驱动。
NAND flash 芯片定义了一个很长的结构，这个结构中包含了操作NAND flash的函数和一些必要的变量（include/mtd/nand.h）。
struct nand_chip {
#ifdef CONFIG_MTD_NANDY    /* =y */
void (*hwcontrol)(int cmd);
void (*write_cmd)(u_char val);
void (*write_addr)(u_char val);
u_char (*read_data)(void);
void (*write_data)(u_char val);
void (*wait_for_ready)(void);
int page_shift;
u_char *data_buf;
u_char *data_cache;
int cache_page;
struct nand_smc_dev *dev;
u_char spare[SMC_OOB_SIZE];
#else /* CONFIG_MTD_NANDY */
……
#ifdef CONFIG_MTD_NAND_ECC
u_char ecc_code_buf[6];
u_char reserved[2];
#endif
#endif /* CONFIG_MTD_NANDY */
};
纵观对NAND flash的各种操作（read、write、erase），无外乎如下几种操作：
1．选择flash nand_select()
2．发送命令    nand_command()
3．进行相应操作 read，write……
4．反选NAND flash nand_deselect()

下面是以上四步的实现代码：
1、选择NAND flash
#define nand_select() this->hwcontrol(NAND_CTL_SETNCE); \
            nand_command(mtd, NAND_CMD_RESET, -1, -1); \
            udelay (10);
hwcontrol(NAND_CTL_SETNCE)的作用是设置2410的NAND FLASH CONFIGURATION (NFCONF) REGISTER的NAND Flash Memory chip enable位为0，这位寄存器在自动重启后就被系统自动清零。如果要访问NAND flash的内存，这位必须置1。
nand_command(mtd, NAND_CMD_RESET, -1, -1)；向flash发送命令，此命令为reset，即为重置NAND flash。
然后是10us的延迟，给flash个反应时间。
2、发送命令
Nand_command()同样在smc_core.c中实现。NAND flash的命令有如下几种：

命令                      命令值             描述
NAND_CMD_READ0                   0             读操作
NAND_CMD_READ1                   1             读操作
NAND_CMD_PAGEPROG             0x10          页编程操作
NAND_CMD_READOOB             0x50          读写OOB
NAND_CMD_ERASE1                0x60          读写操作
NAND_CMD_STATUS                   0x70          读取状态
NAND_CMD_STATUS_MULTI          0x71          读取状态
NAND_CMD_SEQIN                   0x80          写操作
NAND_CMD_READID                   0x90          读Flash ID号
NAND_CMD_ERASE2                0xd0          擦写操作
NAND_CMD_RESET                   oxff             复位操作

按照程序的注释，可以将该函数的实现分为如下几步：
1、Begin command latch cycle
实现代码：
this->hwcontrol(NAND_CTL_SETCLE);
this->hwcontrol(NAND_CTL_DAT_OUT);
找到第二条语句的定义，发现什么都么做，不解!!希望达人解答。我猜想可能是一个数据读出的使能操作，允许数据读出。
Command Latch Enable(CLE) and Address Latch Enable(ALE) are used to multiplex command and address respectively, via the I/O pins. The CLE input controls the path activation for commands sent to the command register. When active high, commands are latched into the command register through the I/O ports on the rising edge of the nWE signal. 看了这段英文相信对第一条语句的作用已经十分清楚了，他就是用来控制向命令寄存(COMMAND SET (NFCMD) REGISTER)发送命令的。
2、 Write out the command to the device
这部分对于不同的命令来说，操作的步骤也不太相同，如果为写操作，那么还有根据flash不同的容量决定操作步骤，具体可以参看代码。如果为其他命令，那么就是简单的一行：
this->write_cmd (command);
将命令直接想到命令寄存器（NFCMD[7:0]）中。
3、 Set ALE and clear CLE to start address cycle & Serially input address
1中已经提到了ALE和CLE的作用，现在开始发送地址。
实现代码：
this->hwcontrol(NAND_CTL_CLRCLE); // clear the command latch enable
this->hwcontrol(NAND_CTL_SETALE); // set the address latch enable
然后按位操作，是用函数write_addr()将地址写到NAND FLASH ADDRESS SET (NFADDR) REGISTER中。
4、 Latch in address
实现代码：
this->hwcontrol(NAND_CTL_CLRALE);
this->hwcontrol(NAND_CTL_DAT_IN);
地址发送完毕，清楚ALE。
5、 Pause for 15us
我使用的VIVI中，使用udelay (15)延时15us，但这个时间会因NAND Flash的不同而不同。
三、Operation
根据函数的不同，操作部分会不一样，但是主要的是对NAND FLASH DATA (NFDATA) REGISTER的操作，或写（编程）或者读。通过读或写函数的参数来返回或传递读出的值或写入的值。写得操作通常比较麻烦，他要将写到flash的内容重新读出后进行ECC校验，如果数据正确则在重新真正的写（编程），如果错误，则将数据写入flash的另一个块。读和写都是以页为单位进行操作。而擦除则以块为单位，三个周期发送完地址。擦除完毕后同样需要进行检察以确定是否擦除成功。
四、De-select the NAND device
实现代码：
#define nand_deselect() this->hwcontrol(NAND_CTL_CLRNCE);
反选flash吧，不知这样叫正确与否，跟select the NAND device相反，亦即使用完后将使能flash位清0，代码是NFCONF位于0x4e00_0000的位置（NFCONF |= NFCONF_nFCE_HIGH;），有兴趣的可以读读代码，看看这是怎么实现的，我的感觉就是关于寄存器的清置读起来都比较晕。

好了，到此flash操作的框架基本完成。