NAND Flash结构与驱动分析

NAND Flash结构与驱动分析

一、NAND flash的物理组成

NAND Flash 的数据是以bit的方式保存在memory cell，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bit line，形成所谓的byte(x8)/word(x16)，这就是NAND Device的位宽。这些Line会再组成Page，(NAND Flash 有多种结构，我使用的NAND Flash 是K9F1208,下面内容针对三星的K9F1208U0M)，每页528Bytes(512byte(Main Area)+16byte(Spare Area))，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。
NAND flash以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据。按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址：
Column Address：Starting Address of the Register. 翻成中文为列地址，地址的低8位
Page Address ：页地址
Block Address ：块地址
对于NAND Flash来讲，地址和命令只能在I/O[7:0]上传递，数据宽度是8位。

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二、NAND Flash地址的表示

512byte需要9bit来表示，对于528byte系列的NAND，这512byte被分成1st half Page Register和2nd half Page Register，各自的访问由地址指针命令来选择，A[7:0]就是所谓的column address（列地址），在进行擦除操作时不需要它，why？因为以块为单位擦除。32个page需要5bit来表示，占用A[13:9]，即该page在块内的相对地址。A8这一位地址被用来设置512byte的1st half page还是2nd half page，0表示1st，1表示2nd。Block的地址是由A14以上的bit来表示。
例如64MB（512Mb）的NAND flash（实际中由于存在spare area,故都大于这个值），共4096block，因此，需要12个bit来表示，即A[25:14]，如果是128MB(1Gbit) 的528byte/page的NAND Flash，则block address用A[26:14]表示。而page address就是blcok address|page address in block NAND Flash 的地址表示为： Block Address|Page Address in block|halfpage pointer|Column Address 地址传送顺序是Column Address,Page Address,Block Address。

由于地址只能在I/O[7:0]上传递，因此，必须采用移位的方式进行。例如，对于512Mbit x8的NAND flash，地址范围是0~0x3FF_FFFF，只要是这个范围内的数值表示的地址都是有效的。以NAND_ADDR 为例：
第1 步是传递column address，就是NAND_ADDR[7:0]，不需移位即可传递到I/O[7:0]上，而halfpage pointer即A8 是由操作指令决定的，即指令决定在哪个halfpage 上进行读
写，而真正的A8 的值是不需程序员关心的。
第2 步就是将NAND_ADDR 右移9位，将NAND_ADDR[16:9]传到I/O[7:0]上；
第3 步将NAND_ADDR[24:17]放到I/O上；
第4步需要将NAND_ADDR[25]放到I/O上；
因此，整个地址传递过程需要4 步才能完成，即4-step addressing。如果NAND Flash 的容量是32MB（256Mbit）以下，那么，block adress最高位只到bit24，因此寻址只需要3步。
下面，就x16 的NAND flash器件稍微进行一下说明。由于一个page 的main area 的容量为256word，仍相当于512byte。但是，这个时候没有所谓的1st halfpage 和2nd halfpage 之分了，所以，bit8就变得没有意义了，也就是这个时候 A8 完全不用管，地址传递仍然和x8 器件相同。除了，这一点之外，x16 的NAND使用方法和 x8 的使用方法完全相同。

三、NAND flash驱动解读

以前由于做移植多一些，那些工作很简单（现在看来），从来都不用去关心驱动里面到底怎么实现的，这几次面试才发现真的是学的太浅了，似乎我还在学习仰泳而那些牛人基本都属于潜水级的了，潜的不知有多深。我对照着开发板所带的NAND flash驱动和k9f1208的芯片资料把这些代码通读了一遍，终于明白了NAND flash的读写过程是如何实现的了。我所参考的驱动是mizi公司为三星芯片所写的，我看看了，大概和官方2.4.18内核的nand.c差不多。
在 s3c2410处理器中有专门的NAND flash控制器，他们位于SFR区，具体可以参看s3c2410用户手册。以下的这些代码均可以在vivi或者kernel里面找到，文中会标明程序出自何处。在vivi中，有关NAND flash的驱动都在driver/mtd/nand/下，该目录中包含的源文件：smc_core.c是NAND flash的主要驱动。
NAND flash 芯片定义了一个很长的结构，这个结构中包含了操作NAND flash的函数和一些必要的变量（include/mtd/nand.h）。
struct nand_chip {
#ifdef CONFIG_MTD_NANDY???? /* =y */
??? void (*hwcontrol)(int cmd);
??? void (*write_cmd)(u_char val);
??? void (*write_addr)(u_char val);
??? u_char (*read_data)(void);
??? void (*write_data)(u_char val);
??? void (*wait_for_ready)(void);
??? int page_shift;
??? u_char *data_buf;
??? u_char *data_cache;
??? int??? cache_page;
??? struct nand_smc_dev *dev;
??? u_char spare[SMC_OOB_SIZE];
#else??? /* CONFIG_MTD_NANDY */
??? ……
#ifdef CONFIG_MTD_NAND_ECC
??? u_char ecc_code_buf[6];
??? u_char reserved[2];
#endif
#endif??? /* CONFIG_MTD_NANDY */
};
纵观对NAND flash的各种操作（read、write、erase），无外乎如下几种操作：
1．选择flash??? nand_select()
2．发送命令???? nand_command()
3．进行相应操作 read，write……
4．反选NAND flash?? nand_deselect()

下面是以上四步的实现代码：
1、选择NAND flash
#define nand_select()?? this->hwcontrol(NAND_CTL_SETNCE);
??????????????? nand_command(mtd,NAND_CMD_RESET,-1,-1);
??????????????? udelay (10);
hwcontrol(NAND_CTL_SETNCE) 的作用是设置2410的NAND FLASH CONFIGURATION (NFCONF) REGISTER的NAND Flash Memory chip enable位为0，这位寄存器在自动重启后就被系统自动清零。如果要访问NAND flash的内存，这位必须置1。
nand_command(mtd,-1)；向flash发送命令，此命令为reset，即为重置NAND flash。
然后是10us的延迟，给flash个反应时间。
2、发送命令
Nand_command()同样在smc_core.c中实现。NAND flash的命令有如下几种：

??? 命令???????????????????????? 命令值??????????????? 描述
NAND_CMD_READ0??????????????????? 0??????????????? 读操作
NAND_CMD_READ1??????????????????? 1??????????????? 读操作
NAND_CMD_PAGEPROG??????????????? 0x10??????????? 页编程操作
NAND_CMD_READOOB??????????????? 0x50??????????? 读写OOB
NAND_CMD_ERASE1???????????????? 0x60??????????? 读写操作
NAND_CMD_STATUS??????????????????? 0x70??????????? 读取状态
NAND_CMD_STATUS_MULTI??????????? 0x71??????????? 读取状态
NAND_CMD_SEQIN??????????????????? 0x80??????????? 写操作
NAND_CMD_READID??????????????????? 0x90??????????? 读Flash ID号
NAND_CMD_ERASE2???????????????? 0xd0??????????? 擦写操作
NAND_CMD_RESET??????????????????? oxff??????????????? 复位操作

按照程序的注释，可以将该函数的实现分为如下几步：
1、Begin command latch cycle
实现代码：
this->hwcontrol(NAND_CTL_SETCLE);
this->hwcontrol(NAND_CTL_DAT_OUT);
找到第二条语句的定义，发现什么都么做，不解!!希望达人解答。我猜想可能是一个数据读出的使能操作，允许数据读出。
Command Latch Enable(CLE) and Address Latch Enable(ALE) are used to multiplex command and address respectively,via the I/O pins. The CLE input controls the path activation for commands sent to the command register. When active high,commands are latched into the command register through the I/O ports on the rising edge of the nWE signal. 看了这段英文相信对第一条语句的作用已经十分清楚了，他就是用来控制向命令寄存(COMMAND SET (NFCMD) REGISTER)发送命令的。
2、 Write out the command to the device
这部分对于不同的命令来说，操作的步骤也不太相同，如果为写操作，那么还有根据flash不同的容量决定操作步骤，具体可以参看代码。如果为其他命令，那么就是简单的一行：
this->write_cmd (command);
将命令直接想到命令寄存器（NFCMD[7:0]）中。
3、 Set ALE and clear CLE to start address cycle & Serially input address
1中已经提到了ALE和CLE的作用，现在开始发送地址。
实现代码：
this->hwcontrol(NAND_CTL_CLRCLE); // clear the command latch enable
this->hwcontrol(NAND_CTL_SETALE); // set the address latch enable
然后按位操作，是用函数write_addr()将地址写到NAND FLASH ADDRESS SET (NFADDR) REGISTER中。
4、 Latch in address
实现代码：
this->hwcontrol(NAND_CTL_CLRALE);
this->hwcontrol(NAND_CTL_DAT_IN);
地址发送完毕，清楚ALE。
5、 Pause for 15us
我使用的VIVI中，使用udelay (15)延时15us，但这个时间会因NAND Flash的不同而不同。
三、Operation
根据函数的不同，操作部分会不一样，但是主要的是对NAND FLASH DATA (NFDATA) REGISTER的操作，或写（编程）或者读。通过读或写函数的参数来返回或传递读出的值或写入的值。写得操作通常比较麻烦，他要将写到flash的内容重新读出后进行ECC校验，如果数据正确则在重新真正的写（编程），如果错误，则将数据写入flash的另一个块。读和写都是以页为单位进行操作。而擦除则以块为单位，三个周期发送完地址。擦除完毕后同样需要进行检察以确定是否擦除成功。
四、De-select the NAND device
实现代码：
#define nand_deselect() this->hwcontrol(NAND_CTL_CLRNCE);
反选flash吧，不知这样叫正确与否，跟select the NAND device相反，亦即使用完后将使能flash位清0，代码是NFCONF位于0x4e00_0000的位置（NFCONF |= NFCONF_nFCE_HIGH;），有兴趣的可以读读代码，看看这是怎么实现的，我的感觉就是关于寄存器的清置读起来都比较晕。

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