NAND Flash内存设备的读写控制设计

引言
 
　　NOR Flash和NAND Flash是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Flash因为具有非易失性及可擦除性，在数码相机、手机、个人数字助理( PDA)、掌上电脑、MP3播放器等手持设备中得到广泛的应用。NAND Flash相对于NOR Flash具有更小的体积、更快的写入速度、更多次的可擦除次数以及更低廉的价格而得到了迅速发展。大容量的NAND Flash特别适合现在数码设备中大数据量的存储携带,可以降低成本,提高性能[1]。

1　系统设计

1.1　NAND Flash和NOR Flash的区别

1.1.1　接口差别

　　NOR Flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以直接和CPU相连，CPU可以直接通过地址总线对NOR Flash进行访问,可以很容易地存取其内部的每一个字节。

　　NAND Flash器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，只能通过I/O接口发送命令和地址，对NAND Flash内部数据进行访问。各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。NAND Flash读/写操作采用512或2 048字节的页。

　　NOR Flash是并行访问，NAND Flash是串行访问，所以相对来说，前者的速度更快些。

1.1.2　容量和成本

　　NOR Flash的成本相对高，容量相对小，常见的有128 KB、256 KB、1 MB、2 MB等；优点是读写数据时，不容易出错。所以在应用领域方面，NOR Flash比较适合应用于存储少量的代码。 

　　NAND Flash的单元尺寸几乎是NOR Flash器件的一半，由于生产过程更为简单，也就相应地降低了价格。容量比较大，由于价格便宜，更适合存储大量的数据。

1.1.3　可靠性和耐用性

　　采用Flash介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说，Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR Flash和NAND Flash的可靠性。寿命(耐用性)在NAND Flash闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR Flash的擦写次数是十万次。NAND Flash除了具有10∶1的块擦除周期优势，典型的NAND Flash块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND Flash块在给定的时间内的删除次数要少一些。

1.1.4　位反转

　　NAND Flash和NOR Flash都可能发生比特位反转（但NAND Flash反转的几率远大于NOR Flash），因此这两者都必须进行ECC操作；NAND Flash可能会有坏块（出厂时厂家会对坏块做标记），在使用过程中也还有可能会出现新的坏块，因此NAND Flash驱动必须对坏块进行管理。

　　位反转对于用NAND Flash存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。坏块处理NAND Flash器件中的坏块是随机分布的。NAND Flash器件需要对介质进行初始化扫描来发现坏块，并将坏块标记为不可用。 

1.1.5　易于使用

　　NAND Flash不能在片内运行程序，而NOR Flash可以。但目前很多CPU都可以在上电时以硬件的方式先将NAND Flash的第一个Block中的内容（一般是程序代码，也许不足一个Block，如2 KB大小）自动拷贝到RAM中，然后再运行。因此，只要CPU支持，NAND Flash也可以当成启动设备。由于需要I/O接口，NAND Flash要复杂得多。各种NAND Flash器件的存取方法因厂家而异。在使用NAND Flash器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。

1.2　NAND Flash的存储结构

　　大多数的NAND Flash都大同小异，所不同的只是该NAND Flash芯片的容量大小和读写速度等基本特性。

　　块Block是NAND Flash的擦除操作的基本/最小单位。页是读写操作的基本单位。

　　每一个页，对应还有一块区域，叫做空闲区域/冗余区域，而在Linux系统中，一般叫做OOB（Out Of Band）[2]。这个区域最初基于NAND Flash的硬件特性，数据在读写时候相对容易出错，所以为了保证数据的正确性，必须要有对应的检测和纠错机制，此机制被叫做EDC(Error Detection Code)/ECC（Error Code Correction)。所以设计了多余的区域，用于放置数据的校验值。OOB的读写操作一般是随着页的操作一起完成的，即读写页的时候，对应地就读写了OOB。OOB的主要用途： 标记是否是坏块，存储ECC数据，存储一些和文件系统相关的数据。

1.3　NAND Flash的接口控制设计

　　系统中选用的NAND Flash为海力士半导体公司(Hynix)的H27U1G8F2B[3]，它是一个1 GB的内存，每页的大小为2 112字节（2048＋64备用），每个块的大小为128K+4K备用字节。H27U1G8F2B的8个I/O引脚是地址复用的，这样可以减少引脚数，并方便系统升级，闪存的电源为3?3 V。NAND Flash H27U1G8F2B的接口控制电路如图1所示。

图1　NAND Flash控制电路

　　由于NAND Flash只有8个I/O引脚，而且是复用的，既可以传数据，也可以传地址、命令。设计命令锁存使能(Command Latch Enable, CLE) 和 地址锁存使能(Address Latch Enable，ALE)，就是先要发一个CLE（或ALE）命令，告诉NAND Flash的控制器一声，下面要传的是命令（或地址）。这样，NAND Flash内部才能根据传入的内容，进行对应的动作。相对于并口的NOR Flash的48或52个引脚来说，大大减小了引脚数目，这样封装后的芯片体积小。同时，减少了芯片接口，使用此芯片的相关的外围电路会更简化，避免了繁琐的硬件连线。

2　软件设计

2.1　NAND Flash的读写控制

　　Linux MTD[4]对NAND Flash芯片的读写主要分三部分：

① struct mtd_info中的读写函数，如read、write_oob等，这是MTD原始设备层与Flash硬件层之间的接口。

② struct nand_ecc_ctrl中的读写函数，如read_page_raw、write_page等，主要用来做一些与ECC有关的操作。

③ struct nand_chip中的读写函数，如read_buf、cmdfunc等，与具体的NAND controller相关，就是这部分函数与硬件的交互。

　　这三部分读写函数是相互配合着完成对NAND Flash芯片的读写的。首先，MTD上层需要读写NAND Flash芯片时，会调用struct mtd_info中的读写函数；接着，struct mtd_info中的读写函数就会调用struct nand_chip或struct nand_ecc_ctrl中的读写函数；最后，若调用的是struct nand_ecc_ctrl中的读写函数，那么它又会接着调用struct nand_chip中的读写函数。读写相关函数如图2所示。

图2　读写相关函数

2.2　NAND Flash的读页流程

2.2.1　读页时序

　　读页流程如图3所示。可以看到如果要实现读一个页的数据，就要发送Read的命令，而且是分两个周期，即分两次发送对应的命令。第一次是00h,第二次是30h，而两次命令中间，需要发送对应的你所要读取的页的地址。 图4为读页时序。[!--empirenews.page--]

图3　读页流程


图4　读页时序

2.2.2　读页主要函数

　　NAND Flash读页的主要函数有nand_read、nand_do_read_ops、nand_command_lp、nand_read_page_hwecc、read_buf。MTD上层会调用struct mtd_info中的读page函数，即nand_read函数，然后调用nand_do_read_ops，接着会调用struct nand_chip中的cmdfunc函数。这个cmdfunc函数与具体的NAND controller相关，它的作用是使NAND controller向NAND芯片发出读命令，NAND芯片收到命令后，就会做好准备等待NAND controller下一步的读取。接着nand_read函数又会调用struct nand_ecc_ctrl中的read_page函数，而read_page函数又会调用struct nand_chip中read_buf函数，从而真正把NAND芯片中的数据读取到buffer中。read_buf函数返回后，read_page函数就会对buffer中的数据做一些处理，比如ECC校验。读页主要函数代码如下：

static int nand_do_read_ops(struct mtd_info *mtd, loff_t from, struct mtd_oob_ops *ops) { 
　　…… 
　　while(1) { 
　　　　…… 
　　　　/*先发送对应的读页（read page）的命令*/
　　　　chip?﹥cmdfunc(mtd, NAND_CMD_READ0, 0x00, page); 
　　　　……
　　　　/*发送完命令，接着去调用read_page函数读取对应的数据*/
　　　　ret=chip?﹥ecc.read_page(mtd, chip, bufpoi); 
　　　　buf+=bytes; 
　　　　…… 
　　　　readlen-=bytes; 
　　　　if(!readlen) 
　　　　　　break; 
　　　　col=0;/*页内地址对齐*/
　　　　ealpage++;/*页号加1*/
　　　　page=realpage & chip?﹥pagemask; 
　　　　…… 
　　} 
　　……
} 

2.3　NAND Flash的写页流程

2.3.1　写页时序


图5　写页时序

　　从图5写页时序可以看到，如果要实现写一个页的数据，就要发送Page program的命令，而且是分两个周期，即分两次发送对应的命令。第一次是80h,第二次是10h，而两次命令中间，需要发送对应的要写的页的地址和数据。第3个周期是发送读状态寄存器命令70h, 如果I/O口为低电平,表示数据写入成功，否则失败。写页流程如图6所示。

图6　写页流程

2.3.2　写页主要函数

　　以写NAND Flash芯片为例，其写数据的工作过程：首先，MTD上层会调用struct mtd_info中的写page函数，即nand_write函数，然后调用nand_do_read_ops。接着函数会调用struct nand_chip中cmdfunc函数，这个cmdfunc函数与具体的NAND controller相关，它的作用是使NAND controller向NAND芯片发出写命令，NAND芯片收到命令后，就会做好准备等待NAND controller下一步的读取。接着nand_write函数又会调用struct nand_ecc_ctrl中的write_page函数，而write_page函数又会调用struct nand_chip中write_buf函数，从而真正把数据写到NAND Flash芯片中。

　　MTD读取数据的入口是nand_write，然后调用nand_do_write_ops，此函数主体代码如下:
static int nand_do_write_ops(struct mtd_info *mtd, loff_t to, struct mtd_oob_ops *ops){
　　……
　　if (nand_check_wp(mtd))/*检测,写保护*/
　　　　return -EIO;
　　……
　　while(1){
　　　　……
　　　　ret=chip?﹥write_page(mtd, chip, wbuf, page, cached,(ops?﹥mode==MTD_OOB_RAW));/*写页数据*/
　　　　writelen-=bytes;
　　　　if (!writelen)
　　　　　　break;
　　　　column=0; /*页内地址对齐*/
　　　　buf+=bytes;
　　　　realpage++; /*页号加1*/
　　　　page=realpage & chip?﹥pagemask;
　　　　……
　　　　}
……
}