Nand Flash数据读写与软件编写调试

csdn · 发表于 2015-3-2 09:43:30

本帖最后由 csdn 于 2015-3-2 09:47 编辑

   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：

* 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

* 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
   * 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

* 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

* 芯片尺寸小，引脚少，是位成本（bit cost）最低的固态存储器

* 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

*  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2）和大块（图3），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2 小块类型NAND FLASH

图3 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();
}

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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;
}

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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;
}
}

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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[i]=NF_RDDATA(); // Read spare array
//读页内冗余的16B
}
NF_nFCE_H();
if(ecc0==se[0] && ecc1==se[1] && ecc2==se[2]) //未知使用哪一种软件规范？
{ //比较数据结果是否正确
Uart_Printf("[ECC OK:%x,%x,%x]\n",se[0],se[1],se[2]);
return 1;
}
else
{
Uart_Printf("[ECC ERROR(RD):read:%x,%x,%x, reg:%x,%x,%x]\n",
se[0],se[1],se[2],ecc0,ecc1,ecc2);
return 0;
}
}

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6) NAND 的写操作

static int NF_WritePage(U32 block,U32 page,U8 *buffer) //写Flash
{
int i;
U32 blockPage=(block<<5)+page;
U8 *bufPt=buffer;
NF_RSTECC(); // Initialize ECC
NF_nFCE_L();
NF_CMD(0x0[q4] ); //?????\\Read Mode 1
NF_CMD(0x80); // Write 1st command,数据输入
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<512;i++)
{
NF_WRDATA(*bufPt++); // Write one page to NFM from buffer
}
seBuf[0]=rNFECC0;
seBuf[1]=rNFECC1;
seBuf[2]=rNFECC2;
seBuf[5]=0xff; // Marking good block
for(i=0;i<16;i++)
{
NF_WRDATA(seBuf[i]); // Write spare array(ECC and Mark)
}
[q5]
NF_CMD(0x10); // Write 2nd command
for(i=0;i<10;i++); //tWB = 100ns. ////??????
NF_WAITRB(); //wait tPROG 200~500us;
NF_CMD(0x70); // Read status command
for(i=0;i<3;i++); //twhr=60ns
if (NF_RDDATA()&0x1) // Page write error
{
NF_nFCE_H();
Uart_Printf("[PROGRAM_ERROR:block#=%d]\n",block);
return 0;
}
else
{
NF_nFCE_H();
#if (WRITEVERIFY==1)
//return NF_VerifyPage(block,page,pPage);
#else
return 1;
#endif
}
}

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以下讨论一下NAND 设备上所支持的文件系统，大概现在有以下几种：

A.    JFFS2（没有坏块处理，支持大容量存储的时候需要消耗大量的内存，大量的随机访问降低了NAND设备的读取效率）和YAFFS（速度快，但不支持文件的压缩和解压）

B.    支持DiskOnChip设备的TRUEFFS（True Flash File System）. TRUEFFS是M-Systems公司为其产品DiskOnChip开发的文件系统，其规范并不开放。

C.    由SSFDC（Solid State Floppy Disk Card）论坛定义的支持SM卡的DOS-FAT。SM卡的DOS-FAT文件系统是由SSFDC论坛定义的，但它必须用在标准的块设备上。

对于大量用在各类存储卡上的NAND 设备而言，他们几乎都采用FAT文件系统，而在嵌入式操作系统下，还没有驱动程序可以直接让NAND设备采用文件系统，就技术角度来说，FAT文件系统不是很适合NAND设备，因为FAT文件系统的文件分区表需要不断地擦写，而NAND设备的只能有限次的擦写。

在上面已经很明显的提到，NAND设备存在坏块，为和上层文件系统接口，NAND设备的驱动程序必须给文件系统提供一个可靠的存储空间，这就需要ECC（Error Corection Code）校验，坏块标注、地址映射等一系列的技术手段来达到可靠存储目的。

SSFDC软件规范中，详细定义了如何利用NAND设备每个页中的冗余信息来实现上述功能。这个软件规范中，很重要的一个概念就是块的逻辑地址，它将在物理上可能不连续、不可靠的空间分配编号，为他们在逻辑空间上给系统文件提供一个连续可靠的存储空间。

表3给出了SSFDC规范中逻辑地址的标注方法。在系统初始化的时候，驱动程序先将所有的块扫描一遍，读出他们所对应的逻辑地址，并把逻辑地址和虚拟地址的映射表建好。系统运行时，驱动程序通过查询映射表，找到需要访问的逻辑地址所对应的物理地址然后进行数据读写。

表3 冗余字节定义

表4给出了块逻辑地址的存放格式，LA表示逻辑地址，P代表偶校验位。逻辑地址只有10bit，代表只有1024bit的寻址空间。而SSFDC规范将NAND设备分成了多个zone，每个zone 内有1024块，但这物理上的1024块映射到逻辑空间只有1000块，其他的24块就作为备份使用，当有坏块存在时，就可以以备份块将其替换。

表4 逻辑地址格式

有了以上的软件规范，就可以对NAND设备写出较标准的ECC校验，并可以编写检测坏块、标记坏块、建立物理地址和逻辑地址的映射表的程序了。

static int NF_IsBadBlock(U32 block) //检测坏块
{
int i;
unsigned int blockPage;
U8 data;
blockPage=(block<<5); // For 2'nd cycle I/O[7:5]
NF_nFCE_L();
NF_CMD(0x50); // Spare array read command
NF_ADDR(517&0xf); // Read the mark of bad block in spare array(M addr="5") [q6]
NF_ADDR(blockPage&0xff); // The mark of bad block is in 0 page
NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff); // For block number A[24:17]
NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff); // For block number A[25]
for(i=0;i<10;i++); // wait tWB(100ns) //?????
NF_WAITRB(); // Wait tR(max 12us)
data=NF_RDDATA();
NF_nFCE_H();
if(data!=0xff)
{
Uart_Printf("[block %d has been marked as a bad block(%x)]\n",block,data);
return 1;
}
else
{
return 0;
}
}
static int NF_MarkBadBlock(U32 block) //标记坏块
{
int i;
U32 blockPage=(block<<5);
seBuf[0]=0xff;
seBuf[1]=0xff;
seBuf[2]=0xff;
seBuf[5]=0x44; // Bad blcok mark="0"[q7]
NF_nFCE_L();
NF_CMD(0x50); //????
NF_CMD(0x80); // Write 1st command
NF_ADDR(0x0); // The mark of bad block is
NF_ADDR(blockPage&0xff); // marked 5th spare array
NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff); // in the 1st page.
NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);
for(i=0;i<16;i++)
{
NF_WRDATA(seBuf[i]); // Write spare array
}
NF_CMD(0x10); // Write 2nd command
for(i=0;i<10;i++); //tWB = 100ns. ///???????
NF_WAITRB(); // Wait tPROG(200~500us)
NF_CMD(0x70);
for(i=0;i<3;i++); //twhr=60ns////??????
if (NF_RDDATA()&0x1) // Spare arrray write error
{
NF_nFCE_H();
Uart_Printf("[Program error is occurred but ignored]\n");
}
else
{
NF_nFCE_H();
}
Uart_Printf("[block #%d is marked as a bad block]\n",block);
return 1;
}
int search_logic_block(void) //建立物理地址到逻
//辑地址的映射表
{
unsigned int block,i,blockPage,logic_no,zone,zone_i;
U8 SE[16];
for(i=0;i<BLOCK_NR;i++) //初始化全局变量
lg2ph[i]=space_block[i]=0xffff;
logic_number=0;
space_nr=0;
NF_nFCE_L();
zone=BLOCK_NR/1024; //确定NAND设备中zone
//的个数
for(zone_i=0;zone_i<zone;zone_i++)
{
//搜索每个zone 内逻辑地址和物理地址的映射关系
for(block=0;block<1024;block++)
{
blockPage=((block+zone_i*1024)<<BLOCK_ADDRERSS_SHIFT);
NF_WATIRB(); //等待R/B#信号有效
NF_CMD(0x50); // 读取每个block内部第
//0个Page内冗余的16个字节
NF_ADDR(0); // Column 0
NF_ADDR(blockPage&0xff);
NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff); // Block & page num.
NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);
NF_WATIRB(); //等待R/B#信号有效
for(i=0;i<16;i++) se[i]=NF_RDDATA(); // Write spare array
NF_WATIRB();
if(se[5]!=0xff)[q8] //检测是否存在坏块
printk("\n\rphysic block %d is bad block\n\r",block);
else if(se[7]!=se[12][q9] )
printk("block address1:%d!=block address2 %d\n\r",se[7],se[12]);
else if((se[6][q10] &0xf8)==0x10)
{
//计算该block对应的逻辑地址
logic_no=((0x7&se[6])<<7)+(se[7]>>1)+zone_i*1000;
if(lg2ph[logic_no]!=0xffff) //说明有2个block拥有相
//同的逻辑地址
printk("physical block %d and block %d have the same logic number %d\n",lg2ph[logic_no],block,logic_no);
else lg2ph[logic_no]=block; //将该block的逻辑地址
//关系记入lg2ph表
logic_number++;
}
else if(se[7]==0xff) //说明该block尚未编号
{space_block[space_nr]=block;
space_nr++;
}
}
}
printk("there are totally %d logic blocks\n\r",logic_number);
NF_nFCE_H();
return logic_number;
}

复制代码

这段代码的主要作用就是产生数组lg2ph[],这个数组的含义就是“块物理地址=lg2ph[逻辑地址]”。

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[q1]发出擦除命令

[q2]确认并擦除

[q3]2410处理器的功能

[q4]为什么要有一个读取的命令？？？

[q5]读取ECC并写入16字节中

[q6]参看表3

[q7]标记块状态 517字节

[q8]块状态

[q9]块逻辑地址1和块逻辑地址2

[q10]块逻辑地址1