NAND Flash存储器相关的基本概念

Flash存储器是一种非易失性存储设备，其类型包括：

NAND flash和NOR flash的比较：NOR Flash的特点是片内执行，即它的读取操作和我们常见的SDRAM的读取是一样，用户可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代码。但是NORFlash比NAND Flash贵，一般适合用于存放系统的启动代码。NAND Flash不能片内执行，但它具有容量大，改写速度快的优点。且NAND Flash比较廉价，适合用于存放大量数据。但是NAND Flash比较容易出现位反转问题，在使用中一般需要进行ECC数据校验。

一、NAND Flash 组织结构

以下是K9K8G08U0A NAND Flash的组织图：

块：

? ?块是NAND Flash擦除操作的最小单位。如上图所示，该NAND芯片中总共有8192个块，每个块中又包含64页。每个块大小为(128K+4K)Byte，所以总的芯片容量为8192*(128K+4K)Byte=8448Mbits。

页：

? ?页是读写操作的最小单位。如上图所示，该芯片中每个块包含64页，总共有64*8192页。每个页大小为(2K+64)Bytes,其中2K是真正用于存放数据的区域，而64Bytes是OOB区域。

OOB区域：

? ? 00B区域是页中的空闲区，其作用是：1、存放坏块标记，2、存放ECC校验值，3、存储和文件系统相关的数据。一般的芯片中每512Bytes数据区会分配16Bytes的OOB区域，所以这里2K的数据区就分配了64Bytes的OOB区域。

常见的NAND Flash内部只有一个chip，每个chip只有一个plane。而有些复杂的容量更大的NAND Flash内部有多个chip，每个chip有多个plane。

二、NAND Flash引脚说明

1.?I/O0 ~ I/O7：用于输入地址/数据命令，输出数据

2.?CLE：Command Latch Enable，命令锁存使能，在输入命令之前，要先在模式寄存器中，设置CLE使能

3.?ALE：Address Latch Enable，地址锁存使能，在输入地址之前，要先在模式寄存器中，设置ALE使能

4.?CE#：Chip Enable，芯片使能，在操作Nand Flash之前，要先选中此芯片，才能操作

5.?RE#：Read Enable，读使能，在读取数据之前，要先使CE＃有效。

6.?WE#：Write Enable，写使能,在写取数据之前，要先使WE＃有效。

7.?WP#：Write Protect，写保护

8.?R/B#:Ready/BusyOutput,就绪/忙,主要用于在发送完编程/擦除命令后,检测这些操作是否完成,忙,表示编程/擦除操作仍在进行中,就绪表示操作完成.

9.?Vcc：Power，电源

10.?Vss：Ground，接地

11.?N.C：Non-Connection,未定义，未连接。

三、NAND Flash命令

? ? ? ? NAND Flash的操作都是通过发送命令来实现的，以下是某NAND Flash芯片的命令集。其中有的操作需要两个命令，如页编程操作（就是写操作），其中第一个命令实际上只是将数据写到NAND Flash的页缓冲区，需要发送第二个命令后，NAND Flash才会将数据真正的写入某个页中。

四、地址周期

? ? ?NAND Flash的地址周期需要根据具体的NAND芯片来决定，现在大的NAND Flash一般有5个地址周期，以前小的可能只有4个地址周期。物理地址=块大小*块号+页大小*页号+页内地址。如下为某NAND芯片的地址周期，其中前两个地址周期称为列地址，表示页内地址。后3个地址周期称为行地址，A12~A17为页号，A18~A30为块号（具体的范围需要根据NAND 芯片决定）。

五、坏块

坏块种类：

? ??第一种是出厂时就有的坏块，称为factory bad block，在出厂前就会对其做标记。

? ??第二种是在使用过程中产生的坏块，称为worn-out bad block。在使用过程中进行块擦除时出错了，说明这个块坏了，这个时候就需要将这个块标记为坏块。

坏块标记：

? ? NAND Flash坏块标记的位置三种情况：每个块的第1页、第1页和第2页、最后1页。对于小页（512Bytes大小），坏块标记是在OOB区域的第6个字节。对于大页（如2K大小），坏块标记是在OOB区域的第1个字节。如果坏块标记字节是0xff，则说明这个块是好块，否则就是坏块。

坏块管理：

? ? 在linux系统中会使用坏块表（BBT）对坏块进行管理。在加载NAND驱动时，如果你没有加入参数主动要求跳过坏块扫描，那么系统都会扫描坏块，并建立BBT。使用中可以通过BBT来查询某个块是否是坏块。使用过程中如果发现坏块，也需要更新BBT。坏块表有两种存放方式：第一种是存放在内存中，这就要求在每次系统上电后都要重新扫描一次NAND Flash，建立bbt。缺点是使系统启动速度变慢，优点是不需要占用NAND Flash空间。第二种是存放在NAND Flash中，这种方式就不需要在系统上电后重新扫描NAND Flash，只需要去读取就可以了。

六、ECC校验

? ? NAND Flash由于容易出现位反转现象，所以需要使用ECC校验来检测错误和纠正错误。如果NAND控制器有硬件ECC功能，那么我们就不需要关心具体的ECC算法，只要从相应的寄存器中获取ECC值就可以了。在linux的NAND Flash驱动中我们会定义一个nand_ecclayout结构体变量，用来存放ECC校验相关的信息，这个变量各成员的数值需要根据具体的NAND Flash芯片来定义。如在pl353_nand.c驱动中有如下定义：

static struct nand_ecclayout nand_oob_16 = { //16表示这个NAND Flash芯片中每页有16个字节的OOB区域
	.eccbytes = 3,//一页需要多少个字节的ECC校验值
	.eccpos = {0,1,2},//这些ECC校验值在OOB中的存放位置
	.oobfree = {//其他空闲的OOB位置
		{.offset = 8,//空闲OOB的起始位置
		 . length = 8} }//空闲OOB的长度
};

七、NAND Flash的ID

? ? 通过发送命令0x90读取NAND Flash的ID，驱动可以根据ID来获取这个NAND Flash芯片的一些基本参数，如页大小和块大小等。不同的NAND Flash的ID长度可能有点区别（有的是5个字节，有的是8个字节等），不过最重要的应该是ID的前4个字节数据。

ID的第1个字节：

代表厂商ID，即这个NAND Flash是哪家公司生产的。在linux的nand_ids.c文件中定义了一个nand_manuf_ids数组，用来存放所有厂商各自对应的厂商ID号。

ID的第2个字节：

代表设备ID，不同的设备ID对应不同的容量和物理参数的Flash。在linux的nand_ids.c文件中定义了一个nand_flash_ids的数组，用来存放目前所支持的各种类型NAND Flash的物理参数，如芯片容量、块大小、页大小等。如果这个数组中的某个设备ID没有指明页大小，那么就需要根据ID的第4个字节来获取该NAND Flash的页大小等参数。

ID的第3个字节：

Internal Chip Number-->NAND Flash内部有几颗芯片。有些型号的NAND Flash为了实现高容量，在芯片内部封装了多个芯片。

Cell Type-->芯片是SLC还是某种MLC。SLC表示一个存储单元只能存储1位数据，MLC表示一个存储单元能存储多位数据。

Number of Simultaneously Prgrammed Pages-->可以对几个页同时写。硬件上必须要有多个plane，而每个plane都要有一个页寄存器。

ID的第4个字节：

Page Size-->页大小。如果在nand_flash_ids中没有指明这个NAND Flash芯片对应的页大小，那么就需要从这个字节的ID中获取NAND Flash的参数。

Block Size-->块大小。

Redundant Area Size-->即OOB区域的大小。

Organization-->表示硬件I/O位宽（Bus Width）是8位还是16位的。