Mini2440裸机开发之Nand Flash 编程

一、Nand Flash命令

1.1 命令表

对NAND FLASH的操作需要发出命令，下面有个NAND FLASH的命令表格，那么我们可以此表格上的命令来访问我们的Nand Flash。

 针对每一个命令的时序可以参考NAND FLASH芯片使用手册。下面我们以Read ID命令为例进行介绍。

• 当ALE为高电平时传输的是地址；
• 当CLE为高电平时传输的是命令；
• 当ALE，CLE都为低电平表示传输的是数据 ；
• $\overline{CE}$片选信号，低电平有效；
• $\overline{RE}$读使能，低电平有效；
• $\overline{WE}$写使能，低电平有效；

1.2 Read ID时序分析

• 第一条竖线位置，发送了$\overline{CE}$、$CLE$、$\overline{WE}$信号，90h命令被锁存；
• 第二条竖线，发送了$\overline{WE}$、$ALE$、$\overline{CE}$信号，地址00被锁存；
• 继续往后，命令、地址都发完了，要read数据了，所以释放$\overline{WE}$，$ALE$，这里$tAR$表示$ALE$释放多久后才可以发送$\overline{RE}$信号，$tREA$表示$\overline{RE}$信号的建立时间；
• 第三条竖线位置，发送了$\overline{CE}$,$\overline{RE}$信号，所以数据被锁存，第一个访问周期锁存的数据为marker code，值为0xEC，第二个访问周期的数据为device code，值为0xDA。读id时读5个周期含义对应如下表：

该Nand Flash的5个周期读取出来的值对应如下：

第三个访问周期含义如下表：

 第四个访问周期含义如下表：

 第五个访问周期含义如下表：

 根据第4、5个访问周期的结果0x15、0x44我们得知该NAND FLASH的block_size=128K，page_size=2k, 有2个plane，plane_size=1Gb = 128M, 共256M。

 二、初始化

2.1  寄存器

Nand控制器要按照我们Nand Flash的实际型号和性能来设置初始值。

S3C2440 NAND FLASH相关寄存器如下：

2.2 配置寄存器（NFCONF）

寄存器信息：

寄存器	地址	R/W	描述	复位值
NFCONF	0X4E000000	R/W	NAND FLASH配置寄存器	0x0000100X

寄存器位信息：

NFCONF	位	描述	初始状态
保留	[15:14]	保留	——
TACLS	[13:12]	CLE 和ALE 持续值设置（0 至3） Duration = HCLK × TACLS	01
保留	[11]	保留	0
TWRPH0	[10:8]	TWRPH0 持续值设置（0~7） Duration = HCLK × ( TWRPH0 + 1 )	000
保留	[7]	保留	0
TWRPH1	[6:4]	TWRPH1 持续值设置（0~7） Duration = HCLK × ( TWRPH1 + 1 )	000
AdvFlash （只读）	[3]	自动引导启动用的先进NAND Flash 存储器。 0：支持256 字或512 字节/页的NAND Flash 存储器； 1：支持1K 字或2K 字节/页的NAND Flash 存储器。 此位由在复位和从睡眠模式中唤醒时的NCON0 引脚状态所决定。	硬件设置 （NCON0）
PageSize （只读）	[2]	自动引导启动用的NAND Flash 存储器的页面大小。 先进闪存页面大小 当AdvFlash 为0 时 0=256 字/页；1=512 字节/页 当AdvFlash 为1 时 0=1024 字/页；1=2048 字节/页 此位由在复位和从睡眠模式中唤醒时的GPG13 引脚状态所决定。 复位后，GPG13 可以用于通用I/O 口或外部中断。	硬件设置 （GPG13）
AddrCycle （只读）	[1]	自动引导启动用的NAND Flash 存储器的地址周期。 先进闪存地址周期 当AdvFlash 为0 时 0=3 个地址周期；1=4 个地址周期 当AdvFlash 为1 时 0=4 个地址周期；1=5 个地址周期 此位由在复位和从睡眠模式中唤醒时的GPG14 引脚状态所决定。 复位后，GPG14 可以用于通用I/O 口或外部中断。	硬件设置 （GPG14）
BusWidth （R/W）	[0]	自动引导启动和普通访问用的NAND Flash 存储器的输入输出总线宽 度。 0=8 位总线；1=16 位总线 此位由在复位和从睡眠模式中唤醒时的GPG15 引脚状态所决定。 复位后，GPG15 可以用于通用I/O 口或外部中断。 此位可以被软件改变。	硬件设置 （GPG15）

假设$HCLK=100MHZ$，则$T=10ns$。

前面一节分析了$TACLS = max(tCLS,tALS) - tWP$，我们从NAND手册得知$tCLS$、$tALS$、$tWP$最小都可以取到12ns, 所以我们可以取$TACLS=0$；

$TWRPH0 = tWP$，我们的NAND手册上要求$tWP$最少12ns, 那么取$TWRPH0 =1$， $Duration = HCLK*(TWRPH0+1)=20ns>12ns$，满足要求；

$TWRPH0 = max(tCLH,tALH)$， 我们的NAND手册上要求$tCLH$、$tALH$最少5ns， 那么取$TWRPH1 =0$， $Duration = HCLK*(TWRPH1+1)=10ns>5ns$，满足要求。

再配置BusWidth总线位宽为8bit；
所以NFCONF寄存器设置如下：

#define  TACLS   0
#define  TWRPH0  1
#define  TWRPH1  0
/*设置NAND FLASH的时序*/
NFCONF = (TACLS<<12) | (TWRPH0<<8) | (TWRPH1<<4);

2.3 控制寄存器(NFCONT)

寄存器信息：

寄存器	地址	R/W	描述	复位值
NFCONF	0X4E000004	R/W	NAND FLASH控制寄存器	0x0384

寄存器位信息：

NFCONT	位	描述	初始状态
保留	[15:14]	保留	0
Lock-tight	[13]	紧锁配置（Lock-tight） 0： 禁止紧锁 1：使能紧锁 只要此位被设置为1 一次，你就不能清除了。只有复位或从睡眠模式中被唤醒才能使此 位为禁止（即不能由软件清零）。当此位被设置为1 的情况下，在NFSBLK(0x4E000038) 到NFEBLK(0x4E00003C)-1 的区域设置未被上锁，除了这些区域以外的区域，写入或 擦除命令将会无效，只有只读命令有效。	0
SotLock	[12]	软件上锁设置 0： 禁止上锁 1：使能上锁 软件锁定区域可以随时用软件修改。当此位被设置为1 的情况下， 在 NFSBLK(0x4E000038)到NFEBLK(0x4E00003C)-1 的区域设置未被上锁，除了这些区 域以外的区域，写入或擦除命令将会无效，只有只读命令有效。当你试图写入或擦除这 些锁定区域时，将发生非法访问（NFSTAT[3]位将会置位）。如果NFSBLK 和NFEBLK 相同时，整个区域都被锁定。	1
保留	[11]	保留	0
EnbIllegalAccINT	[10]	非法访问中断控制 0： 禁止中断 1：使能中断 当CPU 试图编程或擦除锁定区域（ 由NFSBLK(0x4E000038) 到 NFEBLK(0x4E00003C)-1 的区域设置）而产生非法访问中断。	0
EnbRnBINT	[9]	RnB 状态输入信号传输中断控制 0： 禁止RnB 中断 1：使能RnB 中断	0
RnB_TransMode	[8]	RnB 传输检测配置 0： 检测上升沿 1：检测下降沿	0
保留	[7]	保留	0
SpareECCLock	[6]	锁定备份区域ECC 产生 0： 开锁备份 ECC 1：锁定备份 ECC 备份区域ECC 寄存器为NFSECC(0x4E000034)。	1
MainECCLock	[5]	锁定主数据区域ECC 生成 0： 开锁主数据区域 ECC生成 1：锁定主数据区域 ECC生成 主数据区域ECC 状态寄存器为NFMECC0/1(0x4E00002C/30)。	1
InitECC	[4]	初始化ECC 编码器/译码器（只写） 1：初始化ECC 编码器/译码器	0
保留	[3:2]	保留	00
Reg_nCE	[1]	NAND Flash 存储器nFCE 信号控制 0：强制 nFCE 为低（使能片选） 1：强制 nFCE 为高（禁止片选） 注意：在引导启动期间其自动被控制。只有MODE 位为1 该值才有效。	1
MODE	[0]	NAND Flash 控制器运行模式 0：NAND Flash 控制器禁止（不工作） 1：NAND Flash 控制器使能	0

MODE [0]: 设置为1，使能NAND控制器。

Reg_nCE [1]: 设置为1，禁止片选（等要使用的时候再使能片选信号）。

所以NFCONF寄存器设置如下：

/*使能NAND FLASH控制器，禁止片选*/
NFCONT = (1<<1) | (1<<0);

2.4 命令寄存器(NFCMMD)

寄存器信息：

寄存器	地址	R/W	描述	复位值
NFCMMD	0X4E000008	R/W	NAND FLASH命令寄存器	0x00

寄存器位信息：

NFCMMD	位	描述	初始状态
保留	[15:8]	保留	0x00
NFCMMD	[7:0]	NAND FLASH存储器命令值	0x00

我们可以使用2440上的NAND FLASH控制器简化操作，只需要往NFCMMD寄存器写入要传输的命令就可以了，NAND FLASH控制器默认把上面复杂的时序发出来。

2.5 地址寄存器(NFADDR)

寄存器信息：

寄存器	地址	R/W	描述	复位值
NFADDR	0X4E00000C	R/W	NAND FLASH地址寄存器	0x00000XX00

寄存器位信息：

NFADDR	位	描述	初始状态
保留	[15:8]	保留	0x00
NFADDR	[7:0]	NAND FLASH存储器地址值	0x00

发命令后，后面就需要发送地址了，当$nWE$和$ALE$有效的时候，表示锁存的是地址，往NFADDR寄存器中写值就可以了，比如：NFADDR=0x00。
上一节我们得知地址需要用5个周期来发送，前2个周期为col地址，后三个周期为row(page)地址。

① column:列地址A0~A10，就是页内地址，地址范围是从0到2047。（A11用来确定oob的地址，即2048-2111这64个字节的范围）
② page：A12～A30，称作页号，page(row)编号。

2.6 数据寄存器(NFDATA) 

寄存器信息：

寄存器	地址	R/W	描述	复位值
NFDATA	0X4E000010	R/W	NAND FLASH数据寄存器	0xXXXX

寄存器位信息：

NFDATA	位	描述	初始状态
NFDATA	[31:0]	NAND Flash 读取/编程数据给I/O	0xXXXX

当命令、地址都发送完后就可以从数据总线上DATA[7:0]获取数据或者写入数据。同样往NFDATA寄存器中写值或者读值就可以了，如unsigned char buf=NFDATA,由于是数据位宽是8位的，所以访问时数据组织形式如下：

从上图可以看出，当word access时，只需一个时钟周期；当byteaccess的时候，需要4个时钟周期，小端模式下第一个时钟周期对应低字节，第四个时钟周期对应高字节。

2.7 代码

识别NAND FLASH代码如下：

 

/*初始化nand控制器*/
void nand_init(void)
{
    #define  TACLS   0
    #define  TWRPH0  1
    #define  TWRPH1  0
    NFCONF = (TACLS<<12) | (TWRPH0<<8) | (TWRPH1<<4);

    NFCONT = (1<<1) | (1<<0);
}

/*使能片选*/
void nand_select(void)
{        
    NFCONT &=~(1<<1);
}

/*禁止片选*/
void nand_deselect(void)
{
    NFCONT |= (1<<1);
}

/*发命令*/
void nand_cmd(unsigned char cmd)
{
    volatile int i;
    NFCCMD = cmd;
    for(i=0; i<10; i++);
}

/*发地址*/
void nand_addr_byte(unsigned char addr)
{
    volatile int i;
    NFADDR = addr;
    for(i=0; i<10; i++);
}

/*读数据*/
unsigned char nand_data(void)
{
    return    NFDATA;
}


/*识别nandflash*/
void nand_chip_probe(void)
{ 
    unsigned char buf[5]={0};
    
    nand_select(); 
    nand_cmd(0x90);
    nand_addr_byte(0x00);

    buf[0] = nand_data();
    buf[1] = nand_data();    
    buf[2] = nand_data();
    buf[3] = nand_data();
    buf[4] = nand_data();    
    nand_deselect();     

    printf("maker   id  = 0x%x\n\r",buf[0]);
    printf("device  id  = 0x%x\n\r",buf[1]);    
    printf("3rd byte    = 0x%x\n\r",buf[2]);        
    printf("4th byte    = 0x%x\n\r",buf[3]);            
    printf("page  size  = %d kb\n\r",1  <<  (buf[3] & 0x03));    
    printf("block size  = %d kb\n\r",64 << ((buf[3] >> 4) & 0x03));    
    printf("5th byte    = 0x%x\n\r",buf[4]);
}

 

参考文章：

[1] s3c2440裸机-nandflash编程（三. 初始化及识别）