NAND Flash結(jié)構(gòu)與驅(qū)動分析

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一、NAND flash的物理組成
NAND Flash 的數(shù)據(jù)是以bit的方式保存在memory cell，一般來說，一個cell 中只能存儲一個bit。這些cell 以8個或者16個為單位，連成bit line，形成所謂的byte(x8)/word(x16)，這就是NAND Device的位寬。這些Line會再組成Page，(NAND Flash 有多種結(jié)構(gòu)，我使用的NAND Flash 是K9F1208,下面內(nèi)容針對三星的K9F1208U0M)，每頁528Bytes(512byte(Main Area)+16byte(Spare Area))，每32個page形成一個Block(32*528B)。具體一片flash上有多少個Block視需要所定。我所使用的三星 k9f1208U0M具有4096個block，故總?cè)萘繛?096*（32*528B）=66MB，但是其中的2MB是用來保存ECC校驗碼等額外數(shù)據(jù)的，故實際中可使用的為64MB。
NAND flash以頁為單位讀寫數(shù)據(jù)，而以塊為單位擦除數(shù)據(jù)。按照這樣的組織方式可以形成所謂的三類地址：
Column Address：Starting Address of the Register. 翻成中文為列地址，地址的低8位
Page Address ：頁地址
Block Address ：塊地址
對于NAND Flash來講，地址和命令只能在I/O[7:0]上傳遞，數(shù)據(jù)寬度是8位。

二、NAND Flash地址的表示
512byte需要9bit來表示，對于528byte系列的NAND，這512byte被分成1st half Page Register和2nd half Page Register，各自的訪問由地址指針命令來選擇，A[7:0]就是所謂的column address（列地址），在進(jìn)行擦除操作時不需要它，why？因為以塊為單位擦除。32個page需要5bit來表示，占用A[13:9]，即該page在塊內(nèi)的相對地址。A8這一位地址被用來設(shè)置512byte的1st half page還是2nd half page，0表示1st，1表示2nd。Block的地址是由A14以上的bit來表示。
例如64MB（512Mb）的NAND flash（實際中由于存在spare area,故都大于這個值），共4096block，因此，需要12個bit來表示，即A[25:14]，如果是128MB(1Gbit) 的528byte/page的NAND Flash，則block address用A[26:14]表示。而page address就是blcok address|page address in block NAND Flash 的地址表示為： Block Address|Page Address in block|halfpage pointer|Column Address 地址傳送順序是Column Address,Page Address,Block Address。
由于地址只能在I/O[7:0]上傳遞，因此，必須采用移位的方式進(jìn)行。 例如，對于512Mbit x8的NAND flash，地址范圍是0~0x3FF_FFFF，只要是這個范圍內(nèi)的數(shù)值表示的地址都是有效的。 以NAND_ADDR 為例：
第1 步是傳遞column address，就是NAND_ADDR[7:0]，不需移位即可傳遞到I/O[7:0]上，而halfpage pointer即A8 是由操作指令決定的，即指令決定在哪個halfpage 上進(jìn)行讀
寫，而真正的A8 的值是不需程序員關(guān)心的。
第2 步就是將NAND_ADDR 右移9位，將NAND_ADDR[16:9]傳到I/O[7:0]上；
第3 步將NAND_ADDR[24:17]放到I/O上；
第4步需要將NAND_ADDR[25]放到I/O上；
因此，整個地址傳遞過程需要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，因此尋址只需要3步。
下面，就x16 的NAND flash 器件稍微進(jìn)行一下說明。 由于一個page 的main area 的容量為256word，仍相當(dāng)于512byte。但是，這個時候沒有所謂的1st halfpage 和2nd halfpage 之分了，所以，bit8就變得沒有意義了，也就是這個時候 A8 完全不用管，地址傳遞仍然和x8 器件相同。除了，這一點之外，x16 的NAND使用方法和 x8 的使用方法完全相同。

三、NAND flash驅(qū)動解讀
以前由于做移植多一些，那些工作很簡單（現(xiàn)在看來），從來都不用去關(guān)心驅(qū)動里面到底怎么實現(xiàn)的，這幾次面試才發(fā)現(xiàn)真的是學(xué)的太淺了，似乎我還在學(xué)習(xí)仰泳而那些牛人基本都屬于潛水級的了，潛的不知有多深。我對照著開發(fā)板所帶的NAND flash驅(qū)動和k9f1208的芯片資料把這些代碼通讀了一遍，終于明白了NAND flash的讀寫過程是如何實現(xiàn)的了。我所參考的驅(qū)動是mizi公司為三星芯片所寫的，我看看了，大概和官方2.4.18內(nèi)核的nand.c差不多。
在 s3c2410處理器中有專門的NAND flash控制器，他們位于SFR區(qū)，具體可以參看s3c2410用戶手冊。以下的這些代碼均可以在vivi或者kernel里面找到，文中會標(biāo)明程序出自何處。在vivi中，有關(guān)NAND flash的驅(qū)動都在driver/mtd/nand/下，該目錄中包含的源文件：smc_core.c是NAND flash的主要驅(qū)動。
NAND flash 芯片定義了一個很長的結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)中包含了操作NAND flash的函數(shù)和一些必要的變量（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 */
};
縱觀對NAND flash的各種操作（read、write、erase），無外乎如下幾種操作：
1．選擇flash    nand_select()
2．發(fā)送命令     nand_command()
3．進(jìn)行相應(yīng)操作 read，write……
4．反選NAND flash   nand_deselect()

下面是以上四步的實現(xiàn)代碼：
1、選擇NAND flash
#define nand_select()   this->hwcontrol(NAND_CTL_SETNCE);
                nand_command(mtd, NAND_CMD_RESET, -1, -1);
                udelay (10);
hwcontrol(NAND_CTL_SETNCE) 的作用是設(shè)置2410的NAND FLASH CONFIGURATION (NFCONF) REGISTER的NAND Flash Memory chip enable位為0，這位寄存器在自動重啟后就被系統(tǒng)自動清零。如果要訪問NAND flash的內(nèi)存，這位必須置1。
nand_command(mtd, NAND_CMD_RESET, -1, -1)；向flash發(fā)送命令，此命令為reset，即為重置NAND flash。
然后是10us的延遲，給flash個反應(yīng)時間。
2、發(fā)送命令
Nand_command()同樣在smc_core.c中實現(xiàn)。NAND flash的命令有如下幾種：

    命令                         命令值                描述
NAND_CMD_READ0                    0                讀操作
NAND_CMD_READ1                    1                讀操作
NAND_CMD_PAGEPROG                0x10            頁編程操作
NAND_CMD_READOOB                0x50            讀寫OOB
NAND_CMD_ERASE1                 0x60            讀寫操作
NAND_CMD_STATUS                    0x70            讀取狀態(tài)
NAND_CMD_STATUS_MULTI            0x71            讀取狀態(tài)
NAND_CMD_SEQIN                    0x80            寫操作
NAND_CMD_READID                    0x90            讀Flash ID號
NAND_CMD_ERASE2                 0xd0            擦寫操作
NAND_CMD_RESET                    oxff                復(fù)位操作

按照程序的注釋，可以將該函數(shù)的實現(xiàn)分為如下幾步：
1、Begin command latch cycle
實現(xiàn)代碼：
this->hwcontrol(NAND_CTL_SETCLE);
this->hwcontrol(NAND_CTL_DAT_OUT);
找到第二條語句的定義，發(fā)現(xiàn)什么都么做，不解!!希望達(dá)人解答。我猜想可能是一個數(shù)據(jù)讀出的使能操作，允許數(shù)據(jù)讀出。
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. 看了這段英文相信對第一條語句的作用已經(jīng)十分清楚了，他就是用來控制向命令寄存(COMMAND SET (NFCMD) REGISTER)發(fā)送命令的。
2、 Write out the command to the device
這部分對于不同的命令來說，操作的步驟也不太相同，如果為寫操作，那么還有根據(jù)flash不同的容量決定操作步驟，具體可以參看代碼。如果為其他命令，那么就是簡單的一行：
this->write_cmd (command);
將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中已經(jīng)提到了ALE和CLE的作用，現(xiàn)在開始發(fā)送地址。
實現(xiàn)代碼：
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，是用函數(shù)write_addr()將地址寫到NAND FLASH ADDRESS SET (NFADDR) REGISTER中。
4、 Latch in address
實現(xiàn)代碼：
this->hwcontrol(NAND_CTL_CLRALE);
this->hwcontrol(NAND_CTL_DAT_IN);
地址發(fā)送完畢，清楚ALE。
5、 Pause for 15us
我使用的VIVI中，使用udelay (15)延時15us，但這個時間會因NAND Flash的不同而不同。
三、Operation
根據(jù)函數(shù)的不同，操作部分會不一樣，但是主要的是對NAND FLASH DATA (NFDATA) REGISTER的操作，或?qū)懀ň幊蹋┗蛘咦x。通過讀或?qū)懞瘮?shù)的參數(shù)來返回或傳遞讀出的值或?qū)懭氲闹�。寫得操作通常比較麻煩，他要將寫到flash的內(nèi)容重新讀出后進(jìn)行ECC校驗，如果數(shù)據(jù)正確則在重新真正的寫（編程），如果錯誤，則將數(shù)據(jù)寫入flash的另一個塊。讀和寫都是以頁為單位進(jìn)行操作。而擦除則以塊為單位，三個周期發(fā)送完地址。擦除完畢后同樣需要進(jìn)行檢察以確定是否擦除成功。
四、De-select the NAND device
實現(xiàn)代碼：
#define nand_deselect() this->hwcontrol(NAND_CTL_CLRNCE);
反選flash吧，不知這樣叫正確與否，跟select the NAND device相反，亦即使用完后將使能flash位清0，代碼是NFCONF位于0x4e00_0000的位置（NFCONF |= NFCONF_nFCE_HIGH;），有興趣的可以讀讀代碼，看看這是怎么實現(xiàn)的，我的感覺就是關(guān)于寄存器的清置讀起來都比較暈。
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