嵌入式系统中NandFlash的原理及应用

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当前各类嵌入式系统开发设计中，存储模块是不可或缺的重要方面。NOR和NAND是目前市场上两种主要的非易失闪存技术。

Nor-flash存储器的容量较小、写入速度较慢，但因其随机读取速度快，因此在嵌入式系统中，常应用在程序代码的存储中。Nor-flash存储器的内部构造决定它不适合朝大容量开展;而Nand-flash存储器构造则能提供极高的单元密度，可以到达很大的存储容量，并且写入和擦除的速度也很快。

Nand-flash存储器是flash存储器的-种，其内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量存储器的实现提供了廉价有效的解决方案。Nand-flash存储器具有容量较大，改写速度快，适用于大量资料的存储，因而在业界得到了越来越广泛的应用，如嵌入式产品中包括数码相机、MP3随身听记忆卡、体积小巧的U盘等。

本文以三星公司的K9F1208UOB芯片为例，介绍Nand-flash存储器芯片的读写流程和时序。

1Nand-Flash存储器的工作原理

1.1Nand-Flash存储器的组成构造及指令集

K9F1208UOB的容量为64Mb，存储空间按128K个页(行)、每页中528个字节(列)的组成方式构成。备用的16列，位于列地址的512-527。K9F1208UOB还将存储空间分为块(block)，每1块由32个页构成。因此K9F1208UOB中一共有4096个块。这种“块-页〞构造，恰好能满足文件系统中划分簇和扇区的构造要求。K9F1208UOB的内部构造如图1所示。

图1K9F1208UOB的内部构造

K9F1208UOB的读和写都以页为单位，擦除则以块为单位进展操作。

K9F1208UOB的地址通过8位端口传送，有效地节省了引脚的数量，并能够保持不同密度器件引脚的一致性，系统可以在电路不作改动的情况下升级为高容量存储器件。

K9F1208UOB通过CLE和ALE信号线实现I/O口上指令和地址的复用。指令、地址和数据都通过拉低WE和CE从I/O口写入器件中。有一些指令只需要一个总线周期完成，例如，复位指令、读指令和状态读指令等;另外一些指令，例如页写入和块擦除，则需要2个周期，其中一个周期用来启动，而另一个周期用来执行。

1.2Nand-Flash操作

页读操作

在初始上电时，器件进入缺省的“读方式1模式〞。在这一模式下，页读操作通过将00h指令写入指令存放器，接着写入3个地址(1个列地址，2个行地址)来启动。一旦页读指令被器件锁存，下面的页读操作就不需要再重复写入指令了。

写入指令和地址后，处理器可以通过对信号线R/B的分析来判断该操作是否完成。如果信号为低电平，表示器件正“忙〞;为高电平，说明器件内部操作完成，要读取的数据被送入了数据存放器。外部控制器可以在以50ns为周期的连续RE脉冲信号的控制下，从I/O口依次读出数据。连续页读操作中，输出的数据是从指定的列地址开场，直到该页的最后-个列地址的数据为止。

页写操作

K9F1208UOB的写入操作也以页为单位。写入必须在擦除之后，否则写入将出错。

页写入周期总共包括3个步骤：写入串行数据输入指令(80h)，然后写入3个字节的地址信息，最后串行写入数据。串行写入的数据最多为528字节，它们首先被写入器件内的页存放器，接着器件进入一个内部写入过程，将数据从页存放器写入存储宏单元。

串行数据写入完成后，需要写入“页写入确认〞指令10h，这条指令将初始化器件的内部写入操作。如果单独写入10h而没有前面的步骤，则10h不起作用。10h写入之后，K9F1208UOB的内部写控制器将自动执行内部写入和校验中必要的算法和时序，这时系统控制器就可以去做别的事了。

内部写入操作开场后，器件自动进入“读状态存放器〞模式。在这一模式下，当RE和CE为低电平时，系统可以读取状态存放器。可以通过检测R/B的输出，或读状态存放器的状态位(I/O6)来判断内部写入是否完毕。在器件进展内部写入操作时，只有读状态存放器指令和复位指令会被响应。当页写入操作完成，应该检测写状态位(I/O0)的电平。

内部写校验只对没有成功地写为0的情况进展检测。指令存放器始终保持着读状态存放器模式，直到其他有效的指令写入指令存放器为止。

块擦除

擦除操作是以块为单位进展的。擦除的启动指令为60h，块地址的输入通过两个时钟周期完成。这时只有地址位A14到A24是有效的，A9到A13则被忽略。块地址载入之后执行擦除确认指令D0h，它用来初始化内部擦除操作。擦除确认命令还用来防止外部干扰产生擦除操作的意外情况。器件检测到擦除确认命令输入后，在WE的上升沿启动内部写控制器开场执行擦除和擦除校验。内部擦除操作完成后，检测写状态位(I/O0)，从而了解擦除操作是否有错误发生。

读状态存放器

K9F1208UOB包含一个状态存放器，该存放器反响了写入或擦除操作是否完成，或写入和擦除操作是否无错。写入70h指令，启动读状态存放器周期。状态存放器的内容将在CE或RE的下降沿处送出至I/O端口。

器件一旦接收到读状态存放器的指令，它就将保持状态存放器在读状态，直到有其他的指令输入。因此，如果在任意读操作中采用了状态存放器渎操作，则在连续页读的过程中，必须重发00h或50h指令。

读器件ID

K9F1208UOB器件具有一个产品鉴定识别码(ID)，系统控制器可以读出这个ID，从而起到识别器件的作用。读ID的步骤是：写入90h指令，然后写入一个地址00h。在两个读周期下，厂商代码和器件代码将被连续输出至I/O口。

同样，一旦进入这种命令模式，器件将保持这种命令状态，直到接收到其他的指令为止。

复位

器件提供一个复位(RESET)指令，通过向指令存放器写入FFh来完成对器件的复位。当器件处于任意读模式、写入或擦除模式的忙状态时，发送复位指令可以使器件中止当前的操作，正在被修改的存储器宏单元的内容不再有效，指令存放器被清零并等待下一条指令的到来。当WP为高时，状态存放器被清为C0h。

2系统硬件连线及软件设计

2.1硬件连线

K9F1208UOB和S3C2440A

图2K9F1208UOB与S3C2440A

2.2软件设计

步骤1：Nand-Flash初始化

利用ADS1.2等工具建立工程文件nandflash_test.mcp，在Nand.c文件中Test_K9S1208子函数实现了主要测试功能。

gpacon=rGPACON;

rGPACON=(rGPACON&~(0*3f<<17))|(0*3f<<17);

首先备份rGPACON的内容，再设置GPA17-22的工作方式。然后调用Nand-Flash初始化函数。

NF8_Init0;//初始化函数

初始化函数的实现源码如下：

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)：

步骤2：读器件ID码

由于S3C2440A中没有像支持SDRAM一样提供直接与Nand-flash存储器的接口，读写的过程要靠软件编程来完成。初始化Nand-Flash后，就可以对Nand-Flash进展操作了。

程序调用NF8_Print_Id()子函数读出器件ID码。

id=NF8_CheckId();//继续调用子函数

device=(U8)id;

maker=(U8)(id>>8)：

Uart_Printf("Maker:%*,Device:%*",maker,device);

NF8_Print_Id()源码如下：

NF_CMD(0*90);//写入90h指令

NF_ADDR(0*0);//写入地址00h

for(i=0;i<10;i++);

Uart_Printf("NFSTAT:0*%*",rNFSTAT);

id=NF_RDDATA8()<<8;//Makercode0*ec读出ID值

id|=NF_RDDATA8();

//Devidecode(K9S1208V:0*76)，(K9K2G16U0M

步骤3：页读写程序

本实验实现了*页的写及读出验证功能。Test_NFS_Rw子函数实现这一功能。

程序首先初始化要写入的数据，*dstPt是要读出验证的数据，先填0;*srcPt是要写入的数据，先用随机数填满。

for(i=0;i<512;i++)*dstPt++=0*0;//填0

for(i=0;i<512;i++){

*ifADS10==TRUE

if(offset==-1)*srcPt++=rand()%0*ff;//随机数填满

*else

if(offset==-1)srcPt++=i%0*f;

*endif

else*srcPt++=i+offset;

}

写之前先进展擦除工作：

if(NF8_EraseBIock(block)==FAIL)return;

然后进展页写入操作：

if(NF8_WritePage(block,page,srcPt)==FAIL)return;

将用随机数填满的srcPt指向的数据写入到指定的页中。写入之后再读出验证：

if(NF8_ReadPage(block,page,dstPt)==FAIL)return;

Uart_Printf("Checkingdata.");

for(error=0,i=0;i<512;i++){

if(*srcPt++!=*dstPt++){//比拟操作

Uart_Printf("Error:%d[W:%*,R:%*]",i,*srcPt,*dstPt);

error++;

}

}

if(error!=0)

{Uart_Printf("FailtoR/Wtest(%d).",error);

return(2);

}

else

{Uart_Printf("R/WtestOK.");

return(1);

}

其中NF8_ReadPage(block,page,dstPt)将读出的数据放入dstPt指向的地址空间里。最后将写入的数据和读出的数据比拟，打印验证信息。

步骤4：编译工程

所有的函数都实现以后，通过ADS1.2进展编泽，生成可执行文件。在工程文件夹"andflash_testaandflash_test_DatakDebugRel"下，可以看到nandflash_test.bin可执行文件。

步骤5：