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引言 當前各類(lèi)嵌入式系統開(kāi)發(fā)設計中，存儲模塊設計是不可或缺的重要方面。NOR和 NAND是目前市場(chǎng)上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。NOR Flash存儲器的容量較小、寫(xiě)入速度較慢，但因其隨機讀取速度快，因此在嵌入式系統中，常用于程序代碼的存儲。與NOR相比,NAND閃存的優(yōu)點(diǎn)是容量大,但其速度較慢,因為它的I/O端口只有8或16個(gè),要完成地址和數據的傳輸就必須讓這些信號輪流傳送。NAND型Flash具有極高的單元密度,容量可以比較大,價(jià)格相對便宜。 本文以三星公司的 K9F2808UOB芯片為例,介紹了NAND Flash的接口電路與驅動(dòng)的設計方法。文中介紹了開(kāi)發(fā)NAND Flash驅動(dòng)基本原理，意在簡(jiǎn)化嵌入式系統開(kāi)發(fā)過(guò)程。 1 NAND Flash工作原理 S3C2410板的NAND Flash支持由兩部分組成：集成在S3C2410 CPU上的NAND Flash控制器 和NAND Flash存儲芯片。要訪(fǎng)問(wèn)NAND Flash中的數據,必須通過(guò)NAND Flash控制器發(fā)送命令才能完成。所以, NAND Flash相當于S3C2410的一個(gè)外設,并不位于它的內存地址區。 1.1 芯片內部存儲布局及存儲操作特點(diǎn) 一片NAND Flash為一個(gè)設備, 其數據存儲分層為：1設備=4 096塊；1塊=32頁(yè);1頁(yè)=528字節=數據塊大小(512字節)+OOB塊大小(16字節)。在每一頁(yè)中，最后16字節（又稱(chēng) OOB，Out?of?Band）用于NAND Flash命令執行完后設置狀態(tài)用，剩余512字節又分為前半部分和后半部分�？梢酝ㄟ^(guò)NAND Flash命令00h/01h/50h分別對前半部、后半部、OOB進(jìn)行定位，通過(guò)NAND Flash內置的指針指向各自的首地址。 存儲操作特點(diǎn)有： 擦除操作的最小單位是塊；NAND Flash芯片每一位只能從1變?yōu)?，而不能從0變?yōu)?，所以在對其進(jìn)行寫(xiě)入操作之前一定要將相應塊擦除(擦除即是將相應塊的位全部變?yōu)?)；OOB部分的第6字節(即517字節)標志是否是壞塊，值為FF時(shí)不是壞塊，否則為壞塊。除OOB第6字節外，通常至少把OOB的前3字節用來(lái)存放NAND Flash硬件ECC碼。 1.2 NAND Flash接口電路 首先介紹開(kāi)發(fā)板的硬件設計，圖1為NAND Flash接口電路。其中開(kāi)關(guān)SW的1、2連接時(shí)R/B表示準備好/忙，2、3連接時(shí)nWAIT可用于增加讀/寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)的額外等待周期。在S3C2410處理器中已經(jīng)集成了NAND Flash控制器，圖2為微控制器與NAND Flash連接的方式。 
圖1 NAND Flash接口電路 1.3 控制器工作原理 NAND Flash控制器在其專(zhuān)用寄存器區(SFR)地址空間中映射有屬于自己的特殊功能寄存器，就是通過(guò)將NAND Flash芯片的內設命令寫(xiě)到其特殊功能寄存器中，從而實(shí)現對NAND Flash芯片讀、檢驗和編程控制。特殊功能寄存器有：NFCONF、NFCMD、NFADDR、NFDATA、NFSTAT、NFECC。
圖2 NAND Flash與S3C2410連接電路 2 Flash燒寫(xiě)程序原理及結構 基本原理：將在SDRAM中的一段存儲區域中的數據寫(xiě)到NAND Flash存儲空間中。燒寫(xiě)程序在縱向上分三層完成。第一層: 主燒寫(xiě)函數，將SDRAM中一段存儲區域的數據寫(xiě)到NAND Flash存儲空間中。第二層: 該層提供對NAND Flash進(jìn)行操作的頁(yè)讀、寫(xiě)及塊擦除等函數。第三層：為第二層提供具體NAND Flash控制器中對特殊功能寄存器進(jìn)行操作的核心函數，該層也是真正將數據在SDRAM和NAND Flash之間實(shí)現傳送的函數。其中第二層為驅動(dòng)程序的設計關(guān)鍵所在，下面對該層的讀、寫(xiě)(又稱(chēng)編程)、擦除功能編碼進(jìn)行詳細介紹。 2.1 NAND Flash Read 功能：讀數據操作以頁(yè)為單位,讀數據時(shí)首先寫(xiě)入讀數據命令00H,然后輸入要讀取頁(yè)的地址,接著(zhù)從數據寄存器中讀取數據,最后進(jìn)行ECC校驗。 參數說(shuō)明：block，塊號；page，頁(yè)號；buffer，指向將要讀取到內存中的起始位置；返回值1，讀成功，返回值0：讀失敗。 static int NF_ReadPage(unsigned int block, unsigned int page, unsigned char *buffer){ NF_RSTECC(); /* 初始化 ECC */ NF_nFCE_L(); /* 片選NAND Flash芯片*/ NF_CMD(0x00); /* 從A區開(kāi)始讀 *//* A0~A7(列地址) */ NF_ADDR(0); /* A9A16(頁(yè)地址) */ NF_ADDR(blockPage&0xff); /* A17A24,(頁(yè)地址) */ NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff);/* A25, (頁(yè)地址) */ NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);/* 等待NAND Flash處于再準備狀態(tài) */ ReadPage();/* 讀整個(gè)頁(yè), 512字節 */ ReadECC();/* 讀取ECC碼 */ ReadOOB();/* 讀取該頁(yè)的OOB塊 *//* 取消NAND Flash 選中*/ NF_nFCE_H();/* 校驗ECC碼, 并返回 */ Return (checkEcc())} 2.2 NAND Flash Program 功能：對頁(yè)進(jìn)行編程命令, 用于寫(xiě)操作。 命令代碼：首先寫(xiě)入00h(A區)/01h(B區)/05h(C區), 表示寫(xiě)入那個(gè)區; 再寫(xiě)入80h開(kāi)始編程模式(寫(xiě)入模式)，接下來(lái)寫(xiě)入地址和數據; 最后寫(xiě)入10h表示編程結束。圖3為程序流程圖。
圖3 寫(xiě)程序流程 參數說(shuō)明：block，塊號；page，頁(yè)號；buffer，指向內存中待寫(xiě)入NAND Flash中的數據起始位置；返回值0，寫(xiě)錯誤，返回值1，寫(xiě)成功。 static int NF_WritePage(unsigned int block, unsigned int page, unsigned char *buffer){ NF_RSTECC(); /* 初始化 ECC */ NF_nFCE_L(); /* 片選NAND Flash芯片*/ NF_CMD(0x0); /* 從A區開(kāi)始寫(xiě) */ NF_CMD(0x80); /* 寫(xiě)第一條命令 *//* A0~A7(列地址) */ NF_ADDR(0);/* A9A16(頁(yè)地址) */ NF_ADDR(blockPage&0xff);/* A17A24(頁(yè)地址) */ NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff); /* A25(頁(yè)地址) */ NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);/* 寫(xiě)頁(yè)為512B到NAND Flash芯片 */ WRDATA(); /*OOB一共16字節，每一個(gè)字節存放什么由程序員自己定義, 在Byte0 Byte2存ECC檢驗碼，Byte6 存放壞塊標志*/ WRDATA(); /* 寫(xiě)該頁(yè)的OOB數據塊 */ CMD(0x10); /* 結束寫(xiě)命令 */ WAITRB();/* 等待NAND Flash處于準備狀態(tài) *//* 發(fā)送讀狀態(tài)命令給NAND Flash */ CMD(0x70); if (RDDATA()&0x1) { /*如果寫(xiě)有錯, 則標示為壞塊,取消NAND Flash 選中*/ MarkBadBlock(block); return 0; } else { /* 正常退出， 取消NAND Flash 選中*/ return 1;} 2.3 NAND Flash Erase 功能：塊擦除命令。 命令代碼：首先寫(xiě)入60h進(jìn)入擦寫(xiě)模式，然后輸入塊地址，接下來(lái)寫(xiě)入D0h, 表示擦寫(xiě)結束。 參數說(shuō)明：block，塊號；返回值0，擦除錯誤（若是壞塊直接返回0；若擦除出現錯誤則標記為壞塊然后返回0），返回值1，成功擦除。 static int NF_EraseBlock(unsigned int block){/* 如果該塊是壞塊, 則返回 */ if(NF_IsBadBlock(block)) return 0; NF_nFCE_L(); /* 片選NAND Flash芯片*/ NF_CMD(0x60); /* 設置擦寫(xiě)模式 *//* A9A16(Page Address) , 是基于塊擦除*/ NF_ADDR(blockPage&0xff); NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff); /* A25(Page Address) */ NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff); NF_CMD(0xd0); WAITRB();CMD(0x70); if(RDDATA()&0x1){/*如有錯,標為壞塊,取消Flash選中*/ MarkBadBlock(block); return 0; } else { /* 退出， 取消Flash 選中*/ return 1;} 3 ECC校檢原理與實(shí)現 由于NAND Flash的工藝不能保證NAND的Memory Array在其生命周期中保持性能可靠，因此在NAND的生產(chǎn)及使用過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生壞塊。為了檢測數據的可靠性，在應用NAND Flash的系統中一般都會(huì )采用一定的壞區管理策略，而管理壞區的前提是能比較可靠地進(jìn)行壞區檢測。如果操作時(shí)序和電路穩定性不存在問(wèn)題的話(huà)，NAND Flash出錯的時(shí)候一般不會(huì )造成整個(gè)塊或是頁(yè)不能讀取或全部出錯，而是整個(gè)頁(yè)（例如512字節）中只有一位或幾位出錯。對數據的校驗常用的有奇偶校驗、 CRC校驗等，而在NAND Flash處理中，一般使用一種專(zhuān)用的校驗——ECC。ECC能糾正單位錯誤和檢測雙位錯誤，而且計算速度很快，但對1位以上的錯誤無(wú)法糾正，對2位以上的錯誤不保證能檢測。ECC一般每256字節原始數據生成3字節ECC校驗數據，這3字節共24位分成兩部分：6位的列校驗和16位的行校驗，多余的2位置1，如表1所列。 表1 校檢數據組成
首先介紹ECC的列校檢。ECC的列校驗和生成規則如圖4所示，“^”表示“位異或”操作。由于篇幅關(guān)系，行校檢不作介紹，感興趣的讀者可以參考芯片datasheet，在三星公司網(wǎng)站可以免費下載。
圖4 列校驗和生成規則 數學(xué)表達式為：
當向NAND Flash的頁(yè)中寫(xiě)入數據時(shí)，每256字節生成一個(gè)ECC校驗和，稱(chēng)之為原ECC校驗和，保存到頁(yè)的OOB數據區中。當從NAND Flash中讀取數據時(shí)，每256字節生成一個(gè)ECC校驗和，稱(chēng)之為新ECC校驗和。校驗的時(shí)候，根據上述ECC生成原理不難推斷：將從OOB區中讀出的原ECC校驗和與新ECC校驗和按位異或，若結果為0，則表示無(wú)錯（或者出現了 ECC無(wú)法檢測的錯誤）；若3字節異或結果中存在11位為1，表示存在一個(gè)位錯誤，且可糾正；若3個(gè)字節異或結果中只存在1位為1，表示 OOB區出錯；其他情況均表示出現了無(wú)法糾正的錯誤。 4 UBOOT下功能驗證 實(shí)現UBOOT對NAND Flash的支持主要是在命令行下實(shí)現對NAND Flash的操作。對NAND Flash實(shí)現的命令為：nand info、nand device、nand read、nand write、nand erease、nand bad。用到的主要數據結構有：struct nand_flash_dev和struct nand_chip，前者包括主要的芯片型號、存儲容量、設備ID、I/O總線(xiàn)寬度等信息，后者是對NAND Flash進(jìn)行具體操作時(shí)用到的信息。由于將驅動(dòng)移植到UBoot的方法不是本文重點(diǎn)，故不作詳細介紹。 驗證方式：通過(guò)TFTP將數據下載到SDRAM中，利用nand read、nand write、nand erease三個(gè)命令對NAND Flash進(jìn)行讀、編程、擦寫(xiě)測試。測試結果如表2所列。和datasheet中數據對比，可以得出結論，驅動(dòng)在系統中運行良好。 表2 測試結果
結語(yǔ) 現在嵌入式系統應用越來(lái)越廣泛，而存儲器件又是嵌入式系統必不可少的一部分，NAND Flash在不超過(guò)4 GB容量的需求下，較其他存儲器件優(yōu)勢明顯。本文所設計的驅動(dòng)并未基于任何操作系統，可以方便地移植到多種操作系統和Boot Loader下，對于簡(jiǎn)化嵌入式系統開(kāi)發(fā)有一定的實(shí)際意義。 參考文獻 1. Yang S.Chen X.Alty L Design issues and implementation of Internet-based process control 2003(6) 2. A Wilson The challenge of embedded Internet 1998(3) 3. 劉淼 嵌入式系統接口設計與Linux驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā) 2006 4. Samsung.K9F2808U0CFLASHMemory 作者：成都市西南交通大學(xué) 謝韋華 譚永東 徐偉華 來(lái)源：單片機與嵌入式系統應用 2009 (2) |
