浅谈嵌入式系统中Nand-Flash的原理及应用

NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Intel于1988年首先开发出NORflash技术，彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。紧接着，1989年，东芝公司发表了NANDflash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。但是经过了十多年之后，仍然有相当多的硬件工程师分不清NOR和NAND闪存。NOR的特点是芯片内执行（XIP,eXecuteInPlace），这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高，在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。

flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0.由于擦除NOR器件时是以64~128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s,与此相反，擦除NAND器件是以8~32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms.

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。

1 Nand-Flash存储器的工作原理

1.1 Nand-Flash存储器的组成结构及指令集

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"结构，恰好能满足文件系统中划分簇和扇区的结构要求。K9F1208UOB的内部结构如图1所示。

图1 K9F1208UOB的内部结构

K9F1208UOB的读和写都以页为单位，擦除则以块为单位进行操作。

NANDFlash的数据是以bit的方式保存在memorycell,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bitline,形成所谓的byte（x8）/word（x16），这就是NANDDevice的位宽。这些Line会再组成Page,（NANDFlash有多种结构，我使用的NANDFlash是K9F1208,下面内容针对三星的K9F1208U0M），每页528Bytes（512byte（MainArea）+16byte（SpareArea）），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.

1.2 Nand-Flash操作

1.2.1 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指令写入指令寄存器，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寄存器。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始，直到该页的最后-个列地址的数据为止。

1.2.2 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寄存器，接着器件进入一个内部写入过程，将数据从页寄存器写入存储宏单元。

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。

内部写入操作开始后，器件自动进入"读状态寄存器"模式。在这一模式下，当RE和CE为低电平时，系统可以读取状态寄存器。可以通过检测R/B的输出，或读状态寄存器的状态位（I/O 6）来判断内部写入是否结束。在器件进行内部写入操作时，只有读状态寄存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/O 0）的电平。

内部写校验只对没有成功地写为0的情况进行检测。指令寄存器始终保持着读状态寄存器模式，直到其他有效的指令写入指令寄存器为止。

1.2.3 块擦除

擦除操作是以块为单位进行的。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始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/O 0），从而了解擦除操作是否有错误发生。

1.2.4 读状态寄存器

K9F1208UOB包含一个状态寄存器，该寄存器反应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，启动读状态寄存器周期。状态寄存器的内容将在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寄存器的指令，它就将保持状态寄存器在读状态，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寄存器渎操作，则在连续页读的过程中，必须重发00h或50h指令。

1.2.5 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。

1.2.6 复位

器件提供一个复位（RESET）指令，通过向指令寄存器写入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，指令寄存器被清零并等待下一条指令的到来。当WP为高时，状态寄存器被清为C0h.

2 系统硬件连线及软件设计

2.1硬件连线

K9F1208UOB和S3C2440A的接口电路如图2所示。

图2 K9F1208UOB与S3C2440A硬件电路

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 &~（0x3f《17））|（0x3f《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进行操作了。

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:%x,Device:%x ",maker,device）；

NF8_Print_Id（）源码如下：

NF_CMD（0x90）；//写入90h指令

NF_ADDR（0x0）；//写入地址00h

for（i=0;i<10;i++）；

Uart_Printf（"NFSTAT:0x%x ",rNFSTAT）；

id=NF_RDDATA8（）《8;//Maker code 0xec读出ID值

id |=NF_RDDATA8（）；

//Devide code（K9S1208V:0x76），（K9K2G16U0M:0xca）

步骤3:页读写程序

本实验实现了某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++=0x0;//填0

for（i=0;i<512;i++）{

#if ADS10==TRUE

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

#else

if（offset==-1） srcPt++ =i%0xf;

#endif

else * srcPt++=i+offset;

}

写之前先进行擦除工作：

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

然后进行页写入操作：

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（"Checking data. "）；

for（error=0,i=0;i<512;i++）{

if（* srcPt++!=*dstPt++）{//比较操作

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）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较，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进行编泽，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:下载程序运行

将串口线与硬件开发系统板串口和开发PC机的COM1连接好（主要用于回显），用USB线和开发PC 机的USB口相连后（主要用于数据的下载），打开DNW 软件，将串口设置为COM1,比特率设置为115200,USB下载地址设为0x30000000.

使用DNW 将前面生成的可执行文件下载到内存中去运行。

3 结束语

本文主要讨论了Nand-flash存储器芯片的工作原理以及以三星公司基于ARM公司的ARM920T处理器核S3C2440A为平台举了一个测试实例，让读者对整个存储系统的软硬件设计过程有了一个较为全面的了解，便于在其它嵌入式系统设计中运用。