NandFlash读写过程

一、结构分析

S3C2410处理器集成了8位NandFlash控制器。目前市场上常见的8位NandFlash有三星公司的k9f1208、k9f1g08、k9f2g08等。k9f1208、k9f1g08、k9f2g08的数据页大小分别为512Byte、2kByte、2kByte。它们在寻址方式上有一定差异，所以程序代码并不通用。本文以S3C2410处理器和k9f1208系统为例，讲述NandFlash的读写方法。

NandFlash的数据是以bit 的方式保存在memory cell里的，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 组成Page， page 再组织形成一个Block。k9f1208的相关数据如下：

1block=32page；1page=528byte=512byte(Main Area)+16byte(Spare Area)。

总容量为=4096（block数量）*32（page/block）*512(byte/page)=64Mbyte

NandFlash以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据。按照k9f1208的组织方式可以分四类地址： Column Address、halfpage pointer、Page Address 、Block Address。A[0:25]表示数据在64M空间中的地址。

Column Address表示数据在半页中的地址，大小范围0~255，用A[0:7]表示；

halfpage pointer表示半页在整页中的位置，即在0~255空间还是在256~511空间，用A[8]表示；

Page Address表示页在块中的地址，大小范围0~31，用A[13:9]表示；

Block Address表示块在flash中的位置，大小范围0~4095，A[25:14] 表示；

二、读操作过程K9f1208的寻址分为4个cycle。分别是：A[0:7]、A[9:16]、A[17:24]、A[25]。

读操作的过程为: 1、发送读取指令；2、发送第1个cycle地址；3、发送第2个cycle地址；4、发送第3个cycle地址；5、发送第4个cycle地址；6、读取数据至页末。

K9f1208提供了两个读指令，‘0x00’、‘0x01’。这两个指令区别在于‘0x00’可以将A[8]置为0，选中上半页；而‘0x01’可以将A[8]置为1，选中下半页。

虽然读写过程可以不从页边界开始，但在正式场合下还是建议从页边界开始读写至页结束。下面通过分析读取页的代码，阐述读过程。

static void ReadPage(U32 addr, U8 *buf) //addr表示flash中的第几页，即‘flash地址>>9’

{

U16 i;

NFChipEn(); //使能NandFlash

WrNFCmd(READCMD0); //发送读指令‘0x00’，由于是整页读取，所以选用指令‘0x00’

WrNFAddr(0); //写地址的第1个cycle，即Column Address，由于是整页读取所以取0

WrNFAddr(addr); //写地址的第2个cycle，即A[9:16]

WrNFAddr(addr>>8); //写地址的第3个cycle，即A[17:24]

WrNFAddr(addr>>16); //写地址的第4个cycle，即A[25]。

WaitNFBusy(); //等待系统不忙

for(i=0; i<512; i++)

buf[i] = RdNFDat(); //循环读出1页数据

NFChipDs(); //释放NandFlash

}

三、写操作过程

写操作的过程为: 1、发送写开始指令；2、发送第1个cycle地址；3、发送第2个cycle地址；4、发送第3个cycle地址；5、发送第4个cycle地址；6、写入数据至页末；7、发送写结束指令

下面通过分析写入页的代码，阐述读写过程。

static void WritePage(U32 addr, U8 *buf) //addr表示flash中的第几页，即‘flash地址>>9’

{

U32 i;

NFChipEn(); //使能NandFlash

WrNFCmd(PROGCMD0); //发送写开始指令’0x80’

WrNFAddr(0); //写地址的第1个cycle

WrNFAddr(addr); //写地址的第2个cycle

WrNFAddr(addr>>8); //写地址的第3个cycle

WrNFAddr(addr>>16); 写地址的第4个cycle

WaitNFBusy(); //等待系统不忙

for(i=0; i<512; i++)

WrNFDat(buf[i]); //循环写入1页数据

WrNFCmd(PROGCMD1); //发送写结束指令’0x10’

NFChipDs(); //释放NandFlash

}

四、总结

本文以S3C2410处理器和k9f1208系统为例讲述了nand flash的读写过程。在读写过程中没有考虑到坏块问题，有关ecc及坏块处理问题将在下个专题中讲述。我的板子上使用的是SAMSUNG的K9F1208U0B，下面我将对此型号的NandFlash读取操作做一个讲解。

首先我们先从物理结构上来了解这颗芯片，结构图如下所示

正如硬盘的盘片被分为磁道，每个磁道又被分为若干扇区，一块Nand Flash被分为若干Block,每个Block又被分为若干Page。

由上图我们可以知道flash中Byte(字节)，Page(页),Block（块）3个单位之间的关系为

1 Page =512 Bytes Data Field+ 16 Bytes Spare Field

1 Blcok="32" Pages

我们讨论的K9F1208U0B总共有4096 个Blocks，故我们可以知道这块flash的容量为4096 *(32 *528)= 69206016 Bytes = 66 MB

但事实上每个Page上的最后16Bytes是用于存贮检验码用的，并不能存放实际的数据，所以实际上我们可以操作的芯片容量为

4096 *(32 *512) = 67108864 Bytes = 64 MB

由上图所示，1个Page总共由528 Bytes组成，这528个字节按顺序由上而下以列为单位进行排列（1列代表一个Byte。第0行为第0 Byte ，第1行为第1 Byte，以此类推，每个行又由8个位组成，每个位表示1个Byte里面的1bit）。这528Bytes按功能分为两大部分，分别是Data Field和Spare Field，其中Spare Field占528Bytes里的16Bytes,这16Bytes是用于在读写操作的时候存放校验码用的，一般不用做普通数据的存储区，除去这16Bytes,剩下的512Bytes便是我们用于存放数据用的Data Field，所以一个Page上虽然有528个Bytes，但我们只按512Bytes进行容量的计算。

Data Field按位置关系又可分为两个部分，分别称为1st half与2nd half，每个half各占256个bytes。或许你会感到纳闷，为什么要把DataField分为两个部分？把他们看做一个整体进行操作不就好了吗？呵呵，凡事都有因果关系，这么分块自然有它的道理所在，但现在还不是告诉你答案的时候。我们还是先讨论一下它的操作吧。

对K9F1208U0B的操作是通过向Nand Flash命令寄存器（对于s3c2410来说此寄存器为NFCMD，内存映射地址为0x4e000004）发送命令队列进行的，为什么说是命令队列？就是因为要完成某个操作的时候发送的不是一条命令，而是连续几条命令或是一条命令加几个参数

下面是K9F1208U0B的操作命令集：

读命令有两个，分别是 Read1,Read2其中Read1用于读取Data Field的数据，而Read2则是用于读取Spare Field的数据。对于Nand Flash来说，读操作的最小操作单位为Page，也就是说当我们给定了读取的起始位置后，读操作将从该位置开始，连续读取到本Page的最后一个Byte为止（可以包括Spare Field）

Nand Flash的寻址

Nand Flash的地址寄存器把一个完整的Nand Flash地址分解成Column Address与Page Address.进行寻址

Column Address: 列地址。Column Address其实就是指定Page上的某个Byte，指定这个Byte其实也就是指定此页的读写起始地址。

Page Address：页地址。由于页地址总是以512Bytes对齐的，所以它的低9位总是0。确定读写操作是在Flash上的哪个页进行的。

Read1命令

当我们得到一个Nand Flash地址src_addr时我们可以这样分解出Column Address和Page Address

column_addr=src_addr%512; // column address

page_address=(src_addr>>9); // page address

也可以这么认为，一个Nand Flash地址的A0~A7是它的column_addr，A9~A25是它的Page Address。(注意地址位A8并没有出现，也就是A8被忽略，在下面你将了解到这是什么原因)

Read1命令的操作分为4个Cycle，发送完读命令00h或01h（00h与01h的区别请见下文描述）之后将分4个Cycle发送参数，1st.Cycle是发送Column Address。2nd.Cycle ,3rd.Cycle和4th.Cycle则是指定Page Address（每次向地址寄存器发送的数据只能是8位，所以17位的Page Address必须分成3次进行发送）。

4个Cycle

你是否还记得我上文提到过的Data Field被分为1st half 和2end half两个部分？而从上面的命令集我们看到Read1的命令里面出现了两个命令选项，分别是00h和01h。这里出现了两个读命是否令你意识到什么呢？是的，00h是用于读写1st half的命令，而01h是用于读取2nd half的命令。现在我可以结合上图给你说明为什么K9F1208U0B的DataField被分为2个half了。

如上文我所提及的，Read1的1st.Cycle是发送Column Address，假设我现在指定的Column Address是0，那么读操作将从此页的第0号Byte开始一直读取到此页的最后一个Byte(包括Spare Field)，如果我指定的Column Address是127，情况也与前面一样，但不知道你发现没有，用于传递Column Address的数据线有8条（I/O0~I/O7，对应A0~A7，这也是A8为什么不出现在我们传递的地址位中），也就是说我们能够指定的Column Address范围为0~255，但不要忘了，1个Page的DataField是由512个Byte组成的，假设现在我要指定读命令从第256个字节处开始读取此页，那将会发生什么情景？我必须把Column Address设置为256，但Column Address最大只能是255，这就造成数据溢出。。。正是因为这个原因我们才把Data Field分为两个半区，当要读取的起始地址（Column Address）在0~255内时我们用00h命令，当读取的起始地址是在256~511时，则使用01h命令.假设现在我要指定从第256个byte开始读取此页，那么我将这样发送命令串

column_addr=256;

NF_CMD=0x01; ? 从2nd half开始读取