S3C2440内部集成了一个Nand flash控制器。S3C2440的Nand flash控制器包含了如下的特性:
l一个引导启动单元
lNand Flash存储器接口,支持8位或16位的每页大小为256字,512字节,1K字和2K字节的Nand flash
l软件模式:用户可以直接访问Nand Flash存储器,此特性可以用于Nand Flash存储器的读、擦除和编程。
lS3C2440支持8/16位的Nand Flash存储器接口总线
l硬件ECC生成,检测和指示(软件纠错)。
lSteppingstone接口,支持大/小端模式的按字节/半字/字访问。
我用的开发板是天嵌的TQ2440,板子用到的Nand Flash是Samsung公司的K9F2G08U0A,它是8位的Nand flash。本文只介绍Nand Flash的电路原理和Nand Flash的读、写、擦除等基本操作,暂不涉及Nand Flash启动程序的问题。
Nand Flash的电路连接如图 1所示:
图 1 Nand Flash电路原理
上图的左边为K9F2G08U0A与2440的连接图,原理方面就不多介绍,去看看datasheet估计就懂得了,右边的部分是S3C2440的Nand控制器的配置。配置引脚NCON,GPG13,GPG14和GPG15用来设置Nand Flash的基本信息,Nand控制器通过读取配置引脚的状态获取外接的Nand Flash的配置信息,图 2是这四个配置引脚的定义:
图 2 Nand控制配置引脚信息
由于K9F2G08U0A的总线宽度为8位,页大小为2048字节,需要5个寻址命令,所以NCON、GPG13和GPG14应该接高电平,GPG15应该接低电平。
K9F2G08U0A没有地址或数据总线,只有8个IO口,这8个IO口用于传输命令、地址和数据。K9F2G08U0A主要以page(页)为单位进行读写,以block(块)为单位进行擦除。每一页中又分为main区和spare区,main区用于正常数据的存储,spare区用于存储一些附加信息,如块好坏的标记、块的逻辑地址、页内数据的ECC校验和等。K9F2G08U0A的存储阵列如图 3所示:
图 3 K9F2G08U0A内部存储阵列
由上图,我们可以知道:K9F2G08U0A的一页为(2K+64)字节(2K表示的是main区容量, 64表示的是spare区容量),它的一块为64页,而整个设备包括了2048个块。这样算下来一共有2112M位容量,如果只算main区容量则有256M字节(即256M×8位)。
图 4 K9F2G08U0A地址序列
要实现用8个IO口来要访问这么大的容量,如图 4所示:K9F2G08U0A规定了用5个周期来实现。第一个周期访问的地址为A0~A7;第二个周期访问的地址为A8~A11,它作用在IO0~IO3上,而此时IO4~IO7必须为低电平;第三个周期访问的地址为A12~A19;第四个周期访问的地址为A20~A27;第五个周期访问的地址为A28,它作用在IO0上,而此时IO1~IO7必须为低电平。前两个周期传输的是列地址,后三个周期传输的是行地址。通过分析可知,列地址是用于寻址页内空间,行地址用于寻址页,如果要直接访问块,则需要从地址A18开始。由于所有的命令、地址和数据全部从8位IO口传输,所以Nand flash定义了一个命令集来完成各种操作。有的操作只需要一个命令(即一个周期)即可,而有的操作则需要两个命令(即两个周期)来实现。K9F2G08U0A的命令说明如图 5所示:
图 5 K9F2G08U0A命令表
为了方便使用,我们宏定义了K9F2G08U0A的常用命令
#define CMD_READ1 0x00 //页读命令周期1
#define CMD_READ2 0x30 //页读命令周期2
#define CMD_READID 0x90 //读ID命令
#define CMD_WRITE1 0x80 //页写命令周期1
#define CMD_WRITE2 0x10 //页写命令周期2
#define CMD_ERASE1 0x60 //块擦除命令周期1
#define CMD_ERASE2 0xd0 //块擦除命令周期2
#define CMD_STATUS 0x70 //读状态命令
#define CMD_RESET 0xff //复位
#define CMD_RANDOMREAD1 0x05 //随意读命令周期1
#define CMD_RANDOMREAD2 0xE0 //随意读命令周期2
#define CMD_RANDOMWRITE 0x85 //随意写命令
接下来介绍几个Nand Flash控制器的寄存器。Nand Flash控制器的寄存器主要有NFCONF(Nand Flash配置寄存器),NFCONT(Nand Flash控制寄存器),NFCMMD(Nand Flash命令集寄存器),NFADDR(Nand Flash地址集寄存器),NFDATA(Nand Flash数据寄存器),NFMECCD0/1(Nand Flash的main区ECC寄存器),NFSECCD(Nand Flash的spare区ECC寄存器),NFSTAT(Nand Flash操作状态寄存器),NFESTAT0/1(Nand Flash的ECC状态寄存器),NFMECC0/1(Nand Flash用于数据的ECC寄存器),以及NFSECC(Nand Flash用于IO的ECC寄存器)。
(1)NFCONF:2440的NFCONF寄存器是用来设置NAND Flash的时序参数TACLS、TWRPH0、TWRPH1。配置寄存器的[3:0]是只读位,用来指示外部所接的Nand Flash的配置信息,它们是由配置引脚NCON,GPG13,GPG14和GPG15所决定的(比如说K9F2G08U0A的配置为NCON、GPG13和GPG14接高电平,GPG15接低电平,所以[3:0]位状态应该是1110)。
(2)NFCONT:用来使能/禁止NAND Flash控制器、使能/禁止控制引脚信号nFCE、初始化ECC。它还有其他功能,在一般的应用中用不到,比如锁定NAND Flash。
(3)NFCMMD:对于不同型号的Flash,操作命令一般不一样。参考前面介绍的K9F2G08U0A命令序列。
(4)NFADDR:当写这个寄存器时,它将对Flash发出地址信号。只用到低8位来传输,所以需要分次来写入一个完整的32位地址,K9F2G08U0A的地址序列在图4已经做了详细说明。
(5)NFDATA:只用到低8位,读、写此寄存器将启动对NAND Flash的读数据、写数据操作。
(6)NFSTAT:只用到位0,用来检测NAND是否准备好。0:busy,1:ready。
NFCONF寄存器使用TACLS、TWRPH0、TWRPH1这3个参数来控制NAND Flash信号线CLE/ALE与写控制信号nWE的时序关系,它们之间的关系如图6和图7所示:
图6 CLE/ALE时序图
图7 nWE和nRE时序图
TACLS为CLE/ALE有效到nWE有效之间的持续时间,TWRPH0为nWE的有效持续时间,TWRPH1为nWE无效到CLE/ALE无效之间的持续时间,这些时间都是以HCLK为单位的。通过查阅K9F2G08U0A的数据手册,我们可以找到并计算与S3C2440相对应的时序:K9F2G08U0A中的Twp与TWRPH0相对应,Tclh与TWRPH1相对应, TACLS应该是与Tcls相对应。K9F2G08U0A给出的都是最小时间, 2440只要满足它的最小时间即可。TACLS、TWRPH0、TWRPH1这三个变量取值大一些会更保险,在这里,这三个值分别取1,2和0。
下面就开始详细介绍K9F2G08U0A的基本操作,包括复位,读ID,页读、写数据,随意读、写数据,块擦除等。
为了更好地应用ECC和使能Nand Flash片选,我们还需要一些宏定义:
#define NF_nFCE_L() {rNFCONT &= ~(1<<1); }
#define NF_CE_L() NF_nFCE_L() //打开nandflash片选
#define NF_nFCE_H() {rNFCONT |= (1<<1); }
#define NF_CE_H() NF_nFCE_H() //关闭nandflash片选
#define NF_RSTECC() {rNFCONT |= (1<<4); } //复位ECC
#define NF_MECC_UnLock() {rNFCONT &= ~(1<<5); } //解锁main区ECC
#define NF_MECC_Lock() {rNFCONT |= (1<<5); } //锁定main区ECC
#define NF_SECC_UnLock() {rNFCONT &= ~(1<<6); } //解锁spare区ECC
#define NF_SECC_Lock() {rNFCONT |= (1<<6); } //锁定spare区ECC
NFSTAT是另一个比较重要的寄存器,它的第0位可以用于判断nandflash是否在忙,第2位用于检测RnB引脚信号:
#define NF_WAITRB() {while(!(rNFSTAT&(1<<0)));} //等待Nand Flash不忙
#define NF_CLEAR_RB() {rNFSTAT |= (1<<2); } //清除RnB信号
#define NF_DETECT_RB() {while(!(rNFSTAT&(1<<2)));}
//等待RnB信号变高,即不忙
NFCMMD,NFADDR和NFDATA分别用于传输命令,地址和数据,为了方便起见,我们可以定义一些宏定义用于完成上述操作:
#define NF_CMD(data) {rNFCMD = (data); } //传输命令
#define NF_ADDR(addr) {rNFADDR = (addr); } //传输地址
#define NF_RDDATA() rNFDATA) //读32位数据
#define NF_RDDATA8() (rNFDATA8) //读8位数据
#define NF_WRDATA(data) {rNFDATA = (data); } //写32位数据
#define NF_WRDATA8(data) {rNFDATA8 = (data); } //写8位数据
首先,是初始化操作
void rNF_Init(void)
{
rNFCONF = (TACLS<<12)|(TWRPH0<<8)|( TWRPH1<<4)|(0<<0);//初始化时序参数
rNFCONT =
(0<<13)|(0<<12)|(0<<10)|(0<<9)|(0<<8)|(1<<6)|(1<<5)|(1<<4)|(1<<1)|(1<<0); //非锁定,屏蔽nandflash中断,初始化ECC及锁定main区和spare区ECC,使能nandflash片选及控制器
rNF_Reset();//复位芯片
}
复位操作,写入复位命令
static void rNF_Reset()
{
NF_CE_L(); //打开nandflash片选
NF_CLEAR_RB(); //清除RnB信号
NF_CMD(CMD_RESET); //写入复位命令
NF_DETECT_RB(); //等待RnB信号变高,即不忙
NF_CE_H(); //关闭nandflash片选
}
读取K9F2G08U0A芯片ID的操作如下:时序图在datasheet的figure18。首先需要写入读ID命令(0x90),然后再写入0x00地址,并等待芯片就绪,就可以读取到一共五个周期的芯片ID,第一个周期为厂商ID,第二个周期为设备ID,第三个周期至第五个周期包括了一些具体的该芯片信息,函数如下
static char rNF_ReadID()
{
char pMID;
char pDID;
char cyc3, cyc4, cyc5;
NF_nFCE_L(); //打开nandflash片选
NF_CLEAR_RB(); //清RnB信号
NF_CMD(CMD_READID); //读ID命令
NF_ADDR(0x0); //写0x00地址
for ( i = 0; i < 100; i++ );等一段时间
//读五个周期的ID
pMID = NF_RDDATA8(); //厂商ID:0xEC
pDID = NF_RDDATA8(); //设备ID:0xDA
cyc3 = NF_RDDATA8(); //0x10
cyc4 = NF_RDDATA8(); //0x95
cyc5 = NF_RDDATA8(); //0x44
NF_nFCE_H(); //关闭nandflash片选