什么是NAND Flash？如何去使用NAND Flash控制器？

　　一、NAND Flash介绍和NAND Flash控制器的使用
　　NAND Flash在嵌入式系统中的作用，相当于PC上的硬盘
　　常见的Flash有NOR Flash和NAND Flash，NOR Flash上进行读取的效率非常高，但是擦除和写操作的效率很低，容量一般比较小；NAND Flash进行擦除和写操作的效率更高，并且容量更大。一般NOR Flash用于存储程序，NAND Flash用于存储数据。
　　1）NAND Flash的物理结构
　　笔者用的开发板上NAND Flash型号是K9F1G08，大小为128M，下图为它的封装和外部引脚
　　* NandFlash接口信号较少
　　* 数据宽度只有8Bit，没有地址总线。地址和数据总线复用，串行读取
　　信号名称信号描述
　　IO［7..0］数据总线
　　CE#片选信号（Chip Select），低电平有效
　　WE#写有效（Write Enable），低电平表示当前总线操作是写操作
　　RE#读有效（Read Enable），低电平表示当前总线操作是读操作
　　CLE命令锁存（Command Latch Enable）信号，写操作时给出此信号表示写命令
　　ALE地址/数据锁存（Address Latch Enable）信号，写操作时给出此信号表示写地址或数据
　　WP#写保护（Write Protect）信号
　　R/B忙（Read/Busy）信号
　　2）K9F1G08功能结构图如下
　　K9F1G08内部结构有下面一些功能部件
　　①X-Buffers Latches & Decoders：用于行地址
　　②X-Buffers Latches & Decoders：用于列地址
　　③Command Register：用于命令字
　　④Control Logic & High Voltage Generator：控制逻辑及产生Flash所需高压
　　⑤Nand Flash Array：存储部件
　　⑥Data Register & S/A：数据寄存器，读、写页时，数据存放此寄存器
　　⑦Y-Gating
　　⑧I/O Buffers & Latches
　　⑨Global Buffers
　　⑩Output Driver
　　3）NAND Flash 存储单元组织结构图如下：
　　K9F1G08容量为1056Mbit，分为65536行（页）、2112列，每一页大小为2kb，外加64字节的额外空间，这64字节的额外空间的列地址为2048-2111
　　命令、地址、数据都通过IO0-IO7输入/输出，写入命令、地址或数据时，需要将WE、CE信号同时拉低，数据在WE信号的上升沿被NAND FLash锁存；命令锁存信号CLE、地址锁存信号ALE用来分辨、锁存命令或地址。
　　K9F1G08有128MB的存储空间，需要27位地址，以字节为单位访问Flash时，需要4个地址序列
　　NandFlash地址结构
　　* NandFlash设备的存储容量是以页（Page）和块（Block）为单位的。
　　* Page=528Byte （512Byte用于存放数据，其余16Byte用于存放其他信息，如块好坏的标记、块的逻辑地址、页内数据的ECC校验和等）。
　　* Block=32Page
　　* 容量为64MB的NandFlash存储结构为：512Byte×32Page×4096Block
　　* NandFlash以页为单位进行读和编程（写）操作，一页为512Byte；以块为单位进行擦除操作，一块为512Byte*32page=16KB
　　* 对于64MB的NAND设备，需要26根地址线，由于NAND设备数据总线宽度是8位的，因此必须经过4个时钟周期才能把全部地址信息接收下来
　　I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3I/O2I/O1I/O0
　　第一个周期A7A6A5A4A3A2A1A0
　　第二个周期A15A14A13A12A11A10A9A8
　　第三个周期A23A22A21A20A19A18A17A16
　　第四个周期A25A24
　　* 可以这么说，第一个时钟周期给出的是目标地址在一个page内的偏移量，而后三个时钟周期给出的是页地址。
　　* 由于一个页内有512Byte，需要9bit的地址寻址，而第一个时钟周期只给出了低8bit，最高位A8由不同的读命令（Read Mode2）来区分的。
　　4）。 NandFlash的命令
　　NAND Flash访问方法
　　NAND Flash硬件连接如下图：
　　NAND Flash和S3C2440的连线包括，8个IO引脚，5个使能信号（nWE、ALE、CLE、nCE、nRE）、1个状态引脚（R/B）、1个写保护引脚（nWP）。地址、数据和命令都是在这些使能信号的配合下，通过8个IO引脚传输。写地址、数据、命令时，nCE、nWE信号必须为低电平，它们在 nWE信号的上升沿被锁存。命令锁存使能信号CLE和地址锁存使能信号ALE用来区别IO引脚上传输的是命令还是地址。
　　命令字及操作方法
　　操作NAND Flash时，先传输命令，然后传输地址，最后读写数据，这个期间要检查Flash的状态。K9F1G08容量为128MB，需要一个27位的地址，发出命令后，后面要紧跟着4个地址序列。
　　下图为K9F1G08的命令字
　　下图为K9F1G08的地址序列
　　K9F1G08有2112列，所以必须使用A0-A11共12位来寻址，有65535行，所以必须使用A12-A27共16位来寻址。
　　3）S3C2440 NAND Flash控制器介绍
　　NAND Flash的读写操作次序如下：
　　①设置NFCONF配置NAND Flash
　　②向NFCMD寄存器写入命令
　　③向NFADDR寄存器写入地址
　　④读写数据：通过寄存器NFSTAT检测NAND Flash的状态，在启动某个操作后，应该检测R/nB信号以确定该操作是否完成、是否成功。
　　下面介绍这些寄存器：
　　①NFCONF：配置寄存器
　　用来设置NAND Flash的时序参数，设置数据位宽，设置是否支持其他大小的页等。
　　②NFCONT：控制寄存器
　　用来使能NAND Flash控制器、使能控制引脚信号nFCE、初始化ECC，锁定NAND Flash等功能
　　③NFCMD：命令寄存器
　　用来发送Flash操作命令
　　④NFADDR：地址寄存器
　　用来向Flash发送地址信号
　　⑤NFDATA：数据寄存器
　　读写此寄存器启动对NAND Flash的读写数据操作
　　⑥NFSTAT：状态寄存器
　　0：busy，1：ready
　　二、NAND Flash控制器操作实例：读Flash
　　1）读NAND Flash的步骤
　　①设置NFCONF
　　在HCLK=100Mhz的情况下，TACLS=0，TWRPH0=3，TWRPH1=0，则
　　NFCONF = 0x300
　　使能NAND Flash控制器、禁止控制引脚信号nFCE，初始化ECC
　　NFCONT = （1《《4） | （1《《1） | （1《《0）
　　②操作NAND Flash前，复位
　　NFCONT &= ~（1《《1） 发出片选信号
　　NFCMD = 0xff reset命令
　　然后循环查询NFSTAT位0，直到等于1，处于就绪态
　　最后禁止片选信号，在实际使用时再使能
　　NFCONT |= 0x2 禁止NAND Flash
　　③发出读命令
　　NFCONT &= ~（1《《1） 发出片选信号
　　NFCMD = 0 读命令
　　④发出地址信号
　　⑤循环查询NFSTAT，直到等于1
　　⑥连续读NFDATA寄存器，得到一页数据
　　⑦最后禁止NAND Flash片选信号
　　NFCONT |= （1《《1）
　　2）代码详解
　　本实例的目的是把一部分代码存放在NAND Flash地址4096之后，当程序启动后通过NAND Flash控制器读出代码，执行。
　　连接脚本 nand.lds
　　SECTIONS {
　　firtst 0x00000000 ： { head.o init.o nand.o}
　　second 0x30000000 ： AT（4096） { main.o }
　　}
　　head.o init.o nand.o三个文件运行地址为0，生成的镜像文件偏移地址也为0
　　main.0的运行地址为0x30000000，生成的镜像文件偏移地址为4096
　　@******************************************************************************
　　@ File：head.s
　　@ 功能：设置SDRAM，将程序复制到SDRAM，然后跳到SDRAM继续执行
　　@******************************************************************************
　　.text
　　.global _start
　　_start：
　　@函数disable_watch_dog， memsetup， init_nand， nand_read_ll在init.c中定义
　　ldr sp， =4096 @设置堆栈
　　bl disable_watch_dog @关WATCH DOG
　　bl memsetup @初始化SDRAM
　　bl nand_init @初始化NAND Flash
　　@将NAND Flash中地址4096开始的1024字节代码（main.c编译得到）复制到SDRAM中
　　@nand_read_ll函数需要3个参数：
　　ldr r0， =0x30000000 @1. 目标地址=0x30000000，这是SDRAM的起始地址
　　mov r1， #4096 @2. 源地址 = 4096，连接的时候，main.c中的代码都存在NAND Flash地址4096开始处
　　mov r2， #2048 @3. 复制长度= 2048（bytes），对于本实验的main.c，这是足够了
　　bl nand_read @调用C函数nand_read
　　ldr sp， =0x34000000 @设置栈
　　ldr lr， =halt_loop @设置返回地址
　　ldr pc， =main @b指令和bl指令只能前后跳转32M的范围，所以这里使用向pc赋值的方法进行跳转
　　halt_loop：
　　b halt_loop
　　init.c 用于初始化操作
　　/* WOTCH DOG register */
　　#define WTCON （*（volatile unsigned long *）0x53000000）
　　/* SDRAM regisers */
　　#define MEM_CTL_BASE 0x48000000
　　void disable_watch_dog（）;
　　void memsetup（）;
　　/*上电后，WATCH DOG默认是开着的，要把它关掉 */
　　void disable_watch_dog（）
　　{
　　WTCON = 0;
　　}
　　/* 设置控制SDRAM的13个寄存器 */
　　void memsetup（）
　　{
　　int i = 0;
　　unsigned long *p = （unsigned long *）MEM_CTL_BASE;
　　/* SDRAM 13个寄存器的值 */
　　unsigned long const mem_cfg_val［］={ 0x22011110， //BWSCON
　　0x00000700， //BANKCON0
　　0x00000700， //BANKCON1
　　0x00000700， //BANKCON2
　　0x00000700， //BANKCON3
　　0x00000700， //BANKCON4
　　0x00000700， //BANKCON5
　　0x00018005， //BANKCON6
　　0x00018005， //BANKCON7
　　0x008C07A3， //REFRESH
　　0x000000B1， //BANKSIZE
　　0x00000030， //MRSRB6
　　0x00000030， //MRSRB7
　　};
　　for（; i 《 13; i++）
　　p［i］ = mem_cfg_val［i］;
　　}
　　nand.c 用于操作nand flash
　　#define BUSY 1
　　#define NAND_SECTOR_SIZE_LP 2048 //K9F1G08使用2048+64列
　　#define NAND_BLOCK_MASK_LP （NAND_SECTOR_SIZE_LP - 1）
　　typedef unsigned int S3C24X0_REG32;
　　typedef struct {
　　S3C24X0_REG32 NFCONF;
　　S3C24X0_REG32 NFCONT;
　　S3C24X0_REG32 NFCMD;
　　S3C24X0_REG32 NFADDR;
　　S3C24X0_REG32 NFDATA;
　　S3C24X0_REG32 NFMECCD0;
　　S3C24X0_REG32 NFMECCD1;
　　S3C24X0_REG32 NFSECCD;
　　S3C24X0_REG32 NFSTAT;
　　S3C24X0_REG32 NFESTAT0;
　　S3C24X0_REG32 NFESTAT1;
　　S3C24X0_REG32 NFMECC0;
　　S3C24X0_REG32 NFMECC1;
　　S3C24X0_REG32 NFSECC;
　　S3C24X0_REG32 NFSBLK;
　　S3C24X0_REG32 NFEBLK;
　　} S3C2440_NAND; //此结构体存储操作NAND Flash相关寄存器
　　typedef struct {
　　void （*nand_reset）（void）;
　　void （*wait_idle）（void）;
　　void （*nand_select_chip）（void）;
　　void （*nand_deselect_chip）（void）;
　　void （*write_cmd）（int cmd）;
　　void （*write_addr）（unsigned int addr）;
　　unsigned char （*read_data）（void）;
　　}t_nand_chip; //存储nand相关操作的函数地址
　　static S3C2440_NAND * s3c2440nand = （S3C2440_NAND *）0x4e000000; //s2c2440nand控制器地址
　　static t_nand_chip nand_chip;
　　/* 供外部调用的函数 */
　　void nand_init（void）;
　　void nand_read（unsigned char *buf， unsigned long start_addr， int size）;
　　/* NAND Flash操作的总入口， 它们将调用S3C2440的相应函数 */
　　static void nand_reset（void）;
　　static void wait_idle（void）;
　　static void nand_select_chip（void）;
　　static void nand_deselect_chip（void）;
　　static void write_cmd（int cmd）;
　　static void write_addr（unsigned int addr）;
　　static unsigned char read_data（void）;
　　/* S3C2440的NAND Flash处理函数 */
　　static void s3c2440_nand_reset（void）;
　　static void s3c2440_wait_idle（void）;
　　static void s3c2440_nand_select_chip（void）;
　　static void s3c2440_nand_deselect_chip（void）;
　　static void s3c2440_write_cmd（int cmd）;
　　static void s3c2440_write_addr（unsigned int addr）;
　　static unsigned char s3c2440_read_data（void）;
　　/* S3C2440的NAND Flash操作函数 */
　　/* 复位 */
　　static void s3c2440_nand_reset（void）
　　{
　　s3c2440_nand_select_chip（）;
　　s3c2440_write_cmd（0xff）; // 复位命令
　　s3c2440_wait_idle（）;
　　s3c2440_nand_deselect_chip（）;
　　}
　　/* 等待NAND Flash就绪 */
　　static void s3c2440_wait_idle（void）
　　{
　　int i;
　　volatile unsigned char *p = （volatile unsigned char *）&s3c2440nand-》NFSTAT;
　　while（！（*p & BUSY）） //*p=1表示就绪，跳出循环
　　for（i=0; i《10; i++）;
　　}
　　/* 发出片选信号 */
　　static void s3c2440_nand_select_chip（void）
　　{
　　int i;
　　s3c2440nand-》NFCONT &= ~（1《《1）;
　　for（i=0; i《10; i++）;
　　}
　　/* 取消片选信号 */
　　static void s3c2440_nand_deselect_chip（void）
　　{
　　s3c2440nand-》NFCONT |= （1《《1）;
　　}
　　/* 发出命令 */
　　static void s3c2440_write_cmd（int cmd）
　　{
　　volatile unsigned char *p = （volatile unsigned char *）&s3c2440nand-》NFCMD;
　　*p = cmd;
　　}
　　/* 发出地址 */
　　static void s3c2440_write_addr_lp（unsigned int addr）
　　{
　　int i;
　　volatile unsigned char *p = （volatile unsigned char *）&s3c2440nand-》NFADDR;
　　int col， page;
　　col = addr & NAND_BLOCK_MASK_LP; //取得列地址
　　page = addr / NAND_SECTOR_SIZE_LP; //取得行地址
　　*p = col & 0xff; /* 列地址 A0~A7 */
　　for（i=0; i《10; i++）;
　　*p = （col 》》 8） & 0x0f; /* 列地址 A8~A11 */
　　for（i=0; i《10; i++）;
　　*p = page & 0xff; /* 行地址 A12~A19 */
　　for（i=0; i《10; i++）;
　　*p = （page 》》 8） & 0xff; /* 行地址 A20~A27 */
　　for（i=0; i《10; i++）;
　　*p = （page 》》 16） & 0x03; /* 行地址 A28~A29 */
　　for（i=0; i《10; i++）;
　　}
　　/* 读取数据 */
　　static unsigned char s3c2440_read_data（void）
　　{
　　volatile unsigned char *p = （volatile unsigned char *）&s3c2440nand-》NFDATA;
　　return *p;
　　}
　　/* 在第一次使用NAND Flash前，复位一下NAND Flash */
　　static void nand_reset（void）
　　{
　　nand_chip.nand_reset（）;
　　}
　　static void wait_idle（void）
　　{
　　nand_chip.wait_idle（）;
　　}
　　static void nand_select_chip（void）
　　{
　　int i;
　　nand_chip.nand_select_chip（）;
　　for（i=0; i《10; i++）;
　　}
　　static void nand_deselect_chip（void）
　　{
　　nand_chip.nand_deselect_chip（）;
　　}
　　static void write_cmd（int cmd）
　　{
　　nand_chip.write_cmd（cmd）;
　　}
　　static void write_addr（unsigned int addr）
　　{
　　nand_chip.write_addr（addr）;
　　}
　　static unsigned char read_data（void）
　　{
　　return nand_chip.read_data（）;
　　}
　　/* 初始化NAND Flash */
　　void nand_init（void）
　　{
　　#define TACLS 0
　　#define TWRPH0 3
　　#define TWRPH1 0
　　nand_chip.nand_reset = s3c2440_nand_reset;
　　nand_chip.wait_idle = s3c2440_wait_idle;
　　nand_chip.nand_select_chip = s3c2440_nand_select_chip;
　　nand_chip.nand_deselect_chip = s3c2440_nand_deselect_chip;
　　nand_chip.write_cmd = s3c2440_write_cmd;
　　nand_chip.write_addr = s3c2440_write_addr_lp;
　　nand_chip.read_data = s3c2440_read_data;
　　/* 设置时序 */
　　s3c2440nand-》NFCONF = （TACLS《《12）|（TWRPH0《《8）|（TWRPH1《《4）;
　　/* 使能NAND Flash控制器， 初始化ECC， 禁止片选 */
　　s3c2440nand-》NFCONT = （1《《4）|（1《《1）|（1《《0）;
　　/* 复位NAND Flash */
　　nand_reset（）;
　　}
　　/* 读函数 用于把nand flash中代码复制到sdram中*/
　　void nand_read（unsigned char *buf， unsigned long start_addr， int size）
　　{
　　int i， j;
　　if （（start_addr & NAND_BLOCK_MASK_LP） || （size & NAND_BLOCK_MASK_LP）） {
　　return ; /* 地址或长度不对齐 */
　　}
　　/* 选中芯片 */
　　nand_select_chip（）;
　　for（i=start_addr; i 《 （start_addr + size）;） {
　　/* 发出READ命令 */
　　write_cmd（0）;
　　/* 写地址 */
　　write_addr（i）;
　　write_cmd（0x30）;
　　wait_idle（）;
　　for（j=0; j 《 NAND_SECTOR_SIZE_LP; j++， i++） {
　　*buf = read_data（）;
　　buf++;
　　}
　　}
　　/* 取消片选信号 */
　　nand_deselect_chip（）;
　　return ;
　　}
　　main.c 很简单，点灯
　　#define GPBCON （*（volatile unsigned long *）0x56000010）
　　#define GPBDAT （*（volatile unsigned long *）0x56000014）
　　#define GPB5_out （1《《（5*2））
　　#define GPB6_out （1《《（6*2））
　　#define GPB7_out （1《《（7*2））
　　#define GPB8_out （1《《（8*2））
　　void wait（unsigned long dly）
　　{
　　for（; dly 》 0; dly--）;
　　}
　　int main（void）
　　{
　　unsigned long i = 0;
　　GPBCON = GPB5_out|GPB6_out|GPB7_out|GPB8_out; // 将LED1-4对应的GPB5/6/7/8四个引脚设为输出
　　GPBDAT = ~（1《《5） | ~（1《《7） | ~（1《《8）;
　　while（1）{
　　wait（30000）;
　　GPBDAT = （~（i《《5））; // 根据i的值，点亮LED1-4
　　if（++i == 16）
　　i = 0;
　　}
　　return 0;
　　}
　　最后是Makefile
　　objs ：= head.o init.o nand.o main.o
　　nand.bin ： $（objs）
　　arm-linux-ld -Tnand.lds -o nand_elf $^
　　arm-linux-objcopy -O binary -S nand_elf $@
　　arm-linux-objdump -D -m arm nand_elf 》 nand.dis
　　%.o：%.c
　　arm-linux-gcc -Wall -c -O2 -o $@ $《
　　%.o：%.S
　　arm-linux-gcc -Wall -c -O2 -o $@ $《
　　clean：
　　rm -f nand.dis nand.bin nand_elf *.o