原创 FLASH的读写

最近一直在致力于基于ARM920T的FLASH的读写，虽然这部分一般没有多少人屑于研究，认为比较简单（U-boot和VIVI中都有现成的支持程序），但对于初学的我，还是尽心尽力地学习一下，目的在于自己编写一个通用flash驱动程序，以下是前段时间对主要两种flash的认识，大致整理了一下

FLASH<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

    所谓Flash，是内存（Memory）的一种，但兼有RAM和ROM 的优点，是一种可在系统（In-System）进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器，同时它的高集成度和低成本使它成为市场主流。

    Flash 芯片是由内部成千上万个存储单元组成的，每个单元存储一个bit。具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程（烧写）、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。

作为一种非易失性存储器，Flash在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。

常用的Flash为8位或16位的数据宽度，编程电压为单3.3V。主要的生产厂商为INTEL、ATMEL、AMD、HYUNDAI等。Flash 技术根据不同的应用场合也分为不同的发展方向，有擅长存储代码的NOR Flash和擅长存储数据的NAND Flash。一下对NOR Flash和NAND Flash的技术分别作了相应的介绍。

一．NOR Flash

1.      市场介绍

随着技术的发展，愈来愈多的电子产品需要更多的智能化，这也对这些产品的程序存储提出了更高的要求。Flash 作为一种低成本、高集成度的存储技术在电子产品领域的应用非常广泛。今天90%的PC、超过90%的手机、超过50%的Modem，都是用了Flash，如今Flash市场规模已经超过了100亿美元。

如此巨大的市场规模，也导致市场上的Flash 品牌层出不穷。在NOR Flash市场中，Intel公司是非常重要的一家生产厂商。Intel公司生产的Flash芯片多年来占据着市场的很大份额，而它的芯片封装形式和接口也成为业界标准，从而为不同品牌的Flash带来了兼容的方便。

2.      NOR Flash 的硬件设计和调试

首先，Flash 要通过系统总线接在处理器上，即保持一个高速的数据交换的通道。那么就必须了解一下Flash在系统总线上的基本操作。

1） 先了解一下处理器存储空间BANK的概念。以32位处理器S<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />3C2410为例，理论上可以寻址的空间为4GB，但其中有3GB的空间都预留给处理器内部的寄存器和其他设备了，留给外部可寻址的空间只有1GB，也就是0X00000000~0X3fffffff，总共应该有30根地址线。这1GB的空间，2410处理器又根据所支持的设备的特点将它分为了8份，每份空间有128MB，这每一份的空间又称为一个BANK。为方便操作，2410独立地给了每个BANK一个片选信号（nGCS7~nGCS0）。其实这8个片选信号可以看作是2410处理器内部30根地址线的最高三位所做的地址译码的结果。正因为这3根地址线所代表的地址信息已经由8个片选信号来传递了，因此2410处理器最后输出的实际地址线就只有A26~A0（如下图1）

<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" />

图1  2410内存BANK示意图

    2）以图2(带nWAIT信号)为例，描述一下处理器的总线的读操作过程，来说明Flash整体读、写的流程。第一个时钟周期开始，系统地址总线给出需要访问的存储空间地址，经过Tacs时间后，片选信号也相应给出（锁存当前地址线上地址信息），再经过Tcso时间后，处理器给出当前操作是读（nOE为低）还是写（new为低），并在Tacc时间内将数据数据准备好放之总线上，Tacc时间后（并查看nWAIT信号，为低则延长本次总线操作），nOE 拉高，锁存数据线数据。这样一个总线操作就基本完成

图2  带nWAIT 信号的总线读操作

3）NOR Flash的接口设计（现代的29LV160芯片）

29LV160存储容量为8M字节，工作电压为3.3V，采用56脚TSOP封装或48脚FBGA封装，16位数据宽度。29LV160仅需单3.3V电压即可完成在系统的编程与擦除操作，通过对其内部的命令寄存器写入标准的命令序列，可对Flash进行编程（烧写）、整片擦除、按扇区擦除以及其他操作。引脚信号描述和接口电路分别如图3和图4所示。

图3 29LV160引脚信号描述

图4  FLASH（29LV160）接口电路

可以从信号引脚图3和总线操作图2看出，NOR Flash的接口和系统总线接口完全匹配，可以很容易地接到系统总线上。

3.      NOR Flash的软件设计

Flash 的命令很多，但常用到的命令就3种：识别、擦除、编程命令。以下就对3种命令作分别的简要介绍：

1）  NOR Flash的识别

29lv160_CheckId()

{

    U8 tmp;

    U16 manId,devId;

    int i;

    _RESET();

    _WR(0x555,0xaa);

    _WR(0x2aa,0x55);

    _WR(0x555,0x90);

    manId=_RD(0x0);

    devId=_RD(0x1);

    _RESET();  

    printf("Manufacture ID(0x22C4)=%4x, Device ID(0x2249)=%4x\n",manId,devId);

    if(manId == 0x22C4 && devId == 0x2249)

        return 1;

    else

        return 0;

}

NOR Flash 的识别程序由四个读写周期就可以完成，在Flash的相关命令表中可以查到相应ID识别的命令。

2）  NOR Flash的擦除

要对NOR Flash进行写操作，就一定要先进性擦除操作。NOR Flash 的擦除都是以块（sector）为单位进行的，但是每一种型号的Flash的sector的大小不同，即使在同一片的Flash内，，不同sector的大小也是不完全一样的。

void 29lv160db_EraseSector(int targetAddr)

{

        printf("Sector Erase is started!\n");

    _RESET();

    _WR(0x555,0xaa);

    _WR(0x2aa,0x55);

    _WR(0x555,0x80);

    _WR(0x555,0xaa);

_WR(0x2aa,0x55);

_WR(BADDR2WADDR(targetAddr),0x30);  

return  _WAIT(BADDR2WADDR(targetAddr);   

 }

                      图5  Erase Operation   

/**************

如上图5所示，擦除操作时还要有一个关键的操作擦除查询算法，即等待Flash擦除的过程，并返回擦除是否成功的结果。算法如右图6所示

<?xml:namespace prefix = w ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:word" />****************/

Int  _WAIT(void)

{

unsigned int state，flashStatus，old;

old=_RD(BADDR2WADDR(0x0));

while(1)

    {

        flashStatus=_RD(BADDR2WADDR(0x0));

        if( (old&0x40) == (flashStatus&0x40) )

            break;

        if( flashStatus&0x20 )

        {

        //printf("[DQ5=1:%x]\n",flashStatus);

        old=_RD(BADDR2WADDR(0x0));

        flashStatus=_RD(BADDR2WADDR(0x0));

        if( (old&0x40) == (flashStatus&0x40) )

            return 0;

        else return 1;

        }

        //printf(".");

        old=flashStatus;

    }                                            //printf("!\n");

    return 1;

}

图6  Toggle Bit Algorithm

以上的方法为查询数据线上的一个特定位Toggle位。此外还有2种检测方法，一种为提供额外的Busy信号，处理器通过不断查询Busy信号来得知Flash的擦除操作是否完成，一般较少应用；一种为查询Polling位。

3）  NOR Flash 的编程操作

int 29lv160db_ProgFlash(U32 realAddr,U16 data)

{

        _WR(0x555,0xaa);

        _WR(0x2aa,0x55);

        _WR(0x555,0xa0);

        _WR(BADDR2WADDR(realAddr),data);

           return  _WAIT(BADDR2WADDR(realAddr);

}

对擦除过的Flash进行编程比较简单，但仍然用到以上提到的查询算法，速度比较慢，一般为20uS，最长的达到500uS 。

二．NAND FLASH

NAND FLASH 在对大容量的数据存储需要中日益发展，到现今，所有的数码相机、多数ＭＰ３播放器、各种类型的Ｕ盘、很多PDA里面都有NAND FLASH的身影。

1.      Flash的简介

NOR Flash：

u       程序和数据可存放在同一片芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机地读取，允许系统直接从Flash中读取代码执行，而无需先将代码下载至ＲＡＭ中再执行

u       可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操作。

NAND FLASH

u       以页为单位进行读写操作，1页为256B或512B；以块为单位进行擦除操作，1块为4KB、8KB或16KB。具有快编程和快擦除的功能

u       数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程

u       芯片尺寸小，引脚少，是位成本（bit cost）最低的固态存储器

u       芯片存储位错误率较高，推荐使用 ECC校验，并包含有冗余块，其数目大概占1%，当某个存储块发生错误后可以进行标注，并以冗余块代替

u       Samsung、TOSHIBA和Fujistu三家公司支持采用NAND技术NAND Flash。目前，Samsung公司推出的最大存储容量可达8Gbit。NAND 主要作为SmartMedia卡、Compact Flash卡、PCMCIA ATA卡、固态盘的存储介质，并正成为Flash磁盘技术的核心。

2.      NAND FLASH 和NOR FLASH 的比较

1)       性能比较

    flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。

    由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。

    执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时)，更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的各项因素。

      　　● NOR的读速度比NAND稍快一些。

      　　● NAND的写入速度比NOR快很多。

      　　● NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。

      　　● 大多数写入操作需要先进行擦除操作。

      　　● NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。

2)       接口差别

    NOR flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。

NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，共用8位总线（各个产品或厂商的方法可能各不相同）。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。NAND读和写操作采用512字节的页和32KB的块为单位，这一点有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。

3)       容量和成本

NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，由于生产过程更为简单，NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格，大概只有NOR的十分之一。

NOR flash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分，而NAND flash只是用在8～128MB的产品当中，这也说明NOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大。

4)       可靠性和耐用性

采用flahs介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说，Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。

在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势，典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。

5)       位交换（错误率）

所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见，NAND发生的次数要比NOR多)，一个比特位会发生反转或被报告反转了。一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存，NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候，同时使用EDC/ECC算法。

这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。

6)       坏块处理

NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。现在的FLSAH一般都提供冗余块来代替坏块如发现某个块的数据发生错误（ECC校验），则将该块标注成坏块，并以冗余块代替。这导致了在NAND Flash 中，一般都需要对坏块进行编号管理，让每一个块都有自己的逻辑地址。

7)       易于使用

可以非常直接地使用基于NOR的闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。由于需要I/O接口，NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏块写入，这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。

8)       软件支持

当讨论软件支持的时候，应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件，包括性能优化。在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持，在NAND器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序(MTD)，NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些，许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件，这其中包括M-System的TrueFFS驱动，该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等厂商所采用。驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理，包括纠错、坏块处理和损耗平衡。

在掌上电脑里要使用NAND FLASH 存储数据和程序，但是必须有NOR FLASH来启动。除了SAMSUNG处理器，其他用在掌上电脑的主流处理器还不支持直接由NAND FLASH 启动程序。因此，必须先用一片小的NOR FLASH 启动机器，在把OS等软件从NAND FLASH 载入SDRAM中运行才行。

9)       主要供应商

NOR FLASH的主要供应商是INTEL ,MICRO等厂商，曾经是FLASH的主流产品，但现在被NANDFLASH挤的比较难受。它的优点是可以直接从FLASH中运行程序，但是工艺复杂，价格比较贵。

NAND FLASH的主要供应商是SAMSUNG和东芝，在U盘、各种存储卡、MP3播放器里面的都是这种FLASH，由于工艺上的不同，它比NORFLASH拥有更大存储容量，而且便宜。但也有缺点，就是无法寻址直接运行程序，只能存储数据。另外NAND FLASH非常容易出现坏区，所以需要有校验的算法。

3．NAND Flash的硬件设计

NAND FLASH是采用与非门结构技术的非易失存储器，有8位和16位两种组织形式，下面以8位的NAND FLASH进行讨论。

1)      接口信号

与NOR Flash相比较，其数据线宽度只有8bit，没有地址总线，I/O接口可用于控制命令和地址的输入，也可用于数据的输入和输出，多了CLE和ALE来区分总线上的数据类别。

2)      地址结构

NAND FLASH主要以页（page）为单位进行读写，以块(block)为单位进行擦除。FLASH页的大小和块的大小因不同类型块结构而不同，块结构有两种：小块（图7）和大块（图8），小块NAND FLASH包含32个页，每页512+16字节；大块NAND FLASH包含64页，每页2048+64字节。

图7  小块类型NAND FLASH

图8  大块类型NAND FLASH

其中，512B（或1024B）用于存放数据，16B（64B）用于存放其他信息（包括：块好坏的标记、块的逻辑地址、页内数据的ECC校验和等）。NAND设备的随机读取得效率很低，一般以页为单位进行读操作。系统在每次读一页后会计算其校验和，并和存储在页内的冗余的16B内的校验和做比较，以此来判断读出的数据是否正确。

大块和小块NAND FLASH都有与页大小相同的页寄存器，用于数据缓存。当读数据时，先从NAND FLASH内存单元把数据读到页寄存器，外部通过访问NAND FLASH I/O端口获得页寄存器中数据（地址自动累加）；当写数据时，外部通过NAND FLASH I/O端口输入的数据首先缓存在页寄存器，写命令发出后才写入到内存单元中。

3)      接口电路设计（以下以2410和K9F1208U为例）

2410处理器拥有专门针对 NAND设备的接口，可以很方便地和NAND设备对接，如图9所示。虽然NAND设备的接口比较简单，容易接到系统总线上，但2410处理器针对NAND设备还集成了硬件ECC校验，这将大大提高NAND设备的读写效率。当没有处理器的ECC支持时，就需要由软件来完成ECC校验，这将消耗大量的CPU资源，使读写速度下降。

图9 S3C2410与NAND FLASH接口电路示意图

3．NAND FLASH 的软件编写和调试

    NAND设备的软件调试一般分为以下几个步骤：设置相关寄存器、NAND 设备的初始化、NAND设备的识别、NAND设备的读擦写（带ECC校验 ）

    NAND设备的操作都是需要通过命令来完成，不同厂家的命令稍有不同，以下一Samsung公司的K9F1208U0M命令表为例介绍NAND设备的软件编写。

表2  K9F1208U0M  Command Sets

1)      根据2410寄存器定义如下的命令宏

#define NF_CMD(cmd) {rNFCMD=cmd;}

#define NF_ADDR(addr)   {rNFADDR=addr;}

#define NF_nFCE_L() {rNFCONF&=~(1<<11);}

#define NF_nFCE_H() {rNFCONF|=(1<<11);}

#define NF_RSTECC() {rNFCONF|=(1<<12);}

#define NF_RDDATA()     (rNFDATA)

#define NF_WRDATA(data) {rNFDATA=data;}

#define NF_WAITRB()    {while(!(rNFSTAT&(1<<0)));}

        //wait tWB and check F_RNB pin.

2)      NAND 设备的初始化

static void NF_Init(void)                          //Flash 初始化

{

rNFCONF=(1<<15)|(1<<14)|(1<<13)|(1<<12)|(1<<11)|(TACLS<<8)|(TWRPH0<<4)|(TWRPH1<<0);                                            //设置NAND设备的相关寄存器

    // 1  1    1     1,   1      xxx,  r xxx,   r xxx       

    // En 512B 4step ECCR nFCE="H" tACLS   tWRPH0   tWRPH1

    NF_Reset();

}

static void NF_Reset(void)                           //Flash重置

{

    int i;

    NF_nFCE_L();

    NF_CMD(0xFF);                      //reset command

    for(i=0;i<10;i++);                  //tWB = 100ns

    NF_WAITRB();                        //wait 200~500us;

    NF_nFCE_H();

}

3)      NAND设备的识别                    //#define ID_K9F1208U0M  0xec76

static U16 NF_CheckId(void)                            //Id 辨别

{

    int i;

    U16 id;

    NF_nFCE_L();

    NF_CMD(0x90);

    NF_ADDR(0x0);

    for(i=0;i<10;i++);                  //wait tWB(100ns)

    id=NF_RDDATA()<<8;                  // Maker code(K9F1208U:0xec)

    id|=NF_RDDATA();                    // Devide code(K9F1208U:0x76)

    NF_nFCE_H();

    return id;

}

4)      NAND 的擦操作

static int NF_EraseBlock(U32 block)

{

    U32 blockPage=(block<<5);

    int i;

    NF_nFCE_L();

    NF_CMD(0x60[q1] );                            // Erase one block 1st command

    NF_ADDR(blockPage&0xff);                 // Page number="0"

    NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff);  

    NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);

    NF_CMD(0xd0[q2] );                           // Erase one blcok 2nd command

   for(i=0;i<10;i++);                       //wait tWB(100ns)//??????

    NF_WAITRB();                            // Wait tBERS max 3ms.

    NF_CMD(0x70);                           // Read status command

    if (NF_RDDATA()&0x1)                    // Erase error

    {  

        NF_nFCE_H();

    Uart_Printf("[ERASE_ERROR:block#=%d]\n",block);

        return 0;

    }

    else

    {

        NF_nFCE_H();

        return 1;

    }

}

5)      NAND 的读操作

static int NF_ReadPage(U32 block,U32 page,U8 *buffer)        //读Flash

{

    int i;

    unsigned int blockPage;

    U8 ecc0,ecc1,ecc2;

    U8 *bufPt=buffer;

    U8 se[16];    

    page=page&0x1f;                                 //32页

    blockPage=(block<<5)+page;                      //1Bolck包含32页

    NF_RSTECC();                                    // Initialize ECC

    NF_nFCE_L();   

    NF_CMD(0x00);                                   // Read command

    NF_ADDR(0);                                     // Column = 0

    NF_ADDR(blockPage&0xff);                        //

    NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff);                   // Block & Page num.

    NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);                  //

    for(i=0;i<10;i++);                              //wait tWB(100ns)

    NF_WAITRB();                                    // Wait tR(max 12us)

    for(i=0;i<512;i++)

    {

        *bufPt++=NF_RDDATA();                       // Read one page

}

/************************ECC校验***************************/

    ecc0=rNFECC0;                              //利用2410自带的硬件ECC校验

    ecc1=rNFECC1;

    ecc2=rNFECC2;

[q3]     for(i=0;i<16;i++)

    {

        se=NF_RDDATA();                          // Read spare array