NAND Flash的驅動程序設計方案

以三星公司K9F2808UOB為例，設計了NAND Flash與S3C2410的接口電路,介紹了NAND Flash在ARM嵌入式系統中的設計與實現方法,并在UBoot上進行了驗證。所設計的驅動易于移植，可簡化嵌入式系統開發。

關鍵詞? ARM? UBoot? NAND Flash? K9F2808UOB? 驅動程序

引言

　　當前各類嵌入式系統開發設計中，存儲模塊設計是不可或缺的重要方面。NOR和 NAND是目前市場上兩種主要的非易失閃存技術。NOR Flash存儲器的容量較小、寫入速度較慢，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閃存的優點是容量大,但其速度較慢,因為它的I/O端口只有8或16個,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的接口電路與驅動的設計方法。文中介紹了開發NAND Flash驅動基本原理，意在簡化嵌入式系統開發過程。

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。要訪問NAND Flash中的數據,必須通過NAND Flash控制器發送命令才能完成。所以, NAND Flash相當于S3C2410的一個外設,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

　　一片NAND Flash為一個設備, 其數據存儲分層為：1設備=4 096塊；1塊=32頁;1頁=528字節=數據塊大小(512字節)+OOB塊大小(16字節)。在每一頁中，最后16字節（又稱OOB，Out?of?Band）用于NAND Flash命令執行完后設置狀態用，剩余512字節又分為前半部分和后半部分。可以通過NAND Flash命令00h/01h/50h分別對前半部、后半部、OOB進行定位，通過NAND Flash內置的指針指向各自的首地址。

　　存儲操作特點有： 擦除操作的最小單位是塊；NAND Flash芯片每一位只能從1變為0，而不能從0變為1，所以在對其進行寫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為1)；OOB部分的第6字節(即517字節)標志是否是壞塊，值為FF時不是壞塊，否則為壞塊。除OOB第6字節外，通常至少把OOB的前3字節用來存放NAND Flash硬件ECC碼。

1.2? NAND Flash接口電路

　　首先介紹開發板的硬件設計，圖1為NAND Flash接口電路。其中開關SW的1、2連接時R/B表示準備好/忙，2、3連接時nWAIT可用于增加讀/寫訪問的額外等待周期。在S3C2410處理器中已經集成了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，就是通過將NAND Flash芯片的內設命令寫到其特殊功能寄存器中，從而實現對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到NAND Flash存儲空間中。燒寫程序在縱向上分三層完成。第一層: 主燒寫函數，將SDRAM中一段存儲區域的數據寫到NAND Flash存儲空間中。第二層: 該層提供對NAND Flash進行操作的頁讀、寫及塊擦除等函數。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之間實現傳送的函數。其中第二層為驅動程序的設計關鍵所在，下面對該層的讀、寫(又稱編程)、擦除功能編碼進行詳細介紹。

2.1? NAND Flash Read

　　功能：讀數據操作以頁為單位,讀數據時首先寫入讀數據命令00H,然后輸入要讀取頁的地址,接著從數據寄存器中讀取數據,最后進行ECC校驗。

　　參數說明：block，塊號；page，頁號；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區開始讀 *//* A0~A7(列地址) */
　　NF_ADDR(0); /* A9A16(頁地址) */
　　NF_ADDR(blockPage&0xff); /* A17A24,(頁地址) */
　　NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff);/* A25, (頁地址) */
　　NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);/* 等待NAND Flash處于再準備狀態 */
　　ReadPage();/* 讀整個頁, 512字節 */
　　ReadECC();/* 讀取ECC碼 */
　　ReadOOB();/* 讀取該頁的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：對頁進行編程命令, 用于寫操作。

　　命令代碼：首先寫入00h(A區)/01h(B區)/05h(C區), 表示寫入那個區; 再寫入80h開始編程模式(寫入模式)，接下來寫入地址和數據; 最后寫入10h表示編程結束。圖3為程序流程圖。

圖3? 寫程序流程

　　參數說明：block，塊號；page，頁號；buffer，指向內存中待寫入NAND Flash中的數據起始位置；返回值0，寫錯誤，返回值1，寫成功。

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區開始寫 */
　　NF_CMD(0x80); /* 寫第一條命令 *//* A0~A7(列地址) */
　　NF_ADDR(0);/* A9A16(頁地址) */
　　NF_ADDR(blockPage&0xff);/* A17A24(頁地址) */
　　NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff); /* A25(頁地址) */
　　NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);/* 寫頁為512B到NAND Flash芯片 */
　　WRDATA(); /*OOB一共16字節，每一個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(); /* 寫該頁的OOB數據塊 */
　　CMD(0x10); /* 結束寫命令 */
　　WAITRB();/* 等待NAND Flash處于準備狀態 *//* 發送讀狀態命令給NAND Flash */
　　CMD(0x70);
　　if (RDDATA()&0x1) { /*如果寫有錯, 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：首先寫入60h進入擦寫模式，然后輸入塊地址，接下來寫入D0h, 表示擦寫結束。

　　參數說明：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的生產及使用過程中會產生壞塊。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行壞區檢測。如果操作時序和電路穩定性不存在問題的話，NAND Flash出錯的時候一般不會造成整個塊或是頁不能讀取或全部出錯，而是整個頁（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，在三星公司網站可以免費下載。

圖4? 列校驗和生成規則

　　數學表達式為：

　　當向NAND Flash的頁中寫入數據時，每256字節生成一個ECC校驗和，稱之為原ECC校驗和，保存到頁的OOB數據區中。當從NAND Flash中讀取數據時，每256字節生成一個ECC校驗和，稱之為新ECC校驗和。校驗的時候，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，則表示無錯（或者出現了 ECC無法檢測的錯誤）；若3字節異或結果中存在11位為1，表示存在一個位錯誤，且可糾正；若3個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法糾正的錯誤。

4? UBOOT下功能驗證

　　實現UBOOT對NAND Flash的支持主要是在命令行下實現對NAND Flash的操作。對NAND Flash實現的命令為：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總線寬度等信息，后者是對NAND Flash進行具體操作時用到的信息。由于將驅動移植到UBoot的方法不是本文重點，故不作詳細介紹。

　　驗證方式：通過TFTP將數據下載到SDRAM中，利用nand read、nand write、nand erease三個命令對NAND Flash進行讀、編程、擦寫測試。測試結果如表2所列。和datasheet中數據對比，可以得出結論，驅動在系統中運行良好。

表2? 測試結果

結語

　　現在嵌入式系統應用越來越廣泛，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4 GB容量的需求下，較其他存儲器件優勢明顯。本文所設計的驅動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，對于簡化嵌入式系統開發有一定的實際意義。