S3C2440对Nand Flash操作和电路原理(基于K9F2G08U0A)

l 一个引导启动单元

l Nand Flash存储器接口，支持8位或16位的每页大小为256字，512字节，1K字和2K字节的Nand flash

l 软件模式：用户可以直接访问Nand Flash存储器，此特性可以用于Nand Flash存储器的读、擦除和编程。

l S3C2440支持8/16位的Nand Flash存储器接口总线

l 硬件ECC生成，检测和指示(软件纠错)。

l Steppingstone接口，支持大/小端模式的按字节/半字/字访问。

我用的开发板是天嵌的TQ2440，板子用到的Nand Flash是Samsung公司的K9F2G08U0A，它是8位的Nand flash。本文只介绍Nand Flash的电路原理和Nand Flash的读、写、擦除等基本操作，暂不涉及Nand Flash启动程序的问题。

Nand Flash的电路连接如图 1所示：

图 1 Nand Flash电路原理

上图的左边为K9F2G08U0A与2440的连接图，原理方面就不多介绍，去看看datasheet估计就懂得了，右边的部分是S3C2440的Nand控制器的配置。配置引脚NCON，GPG13，GPG14和GPG15用来设置Nand Flash的基本信息，Nand控制器通过读取配置引脚的状态获取外接的Nand Flash的配置信息，图 2是这四个配置引脚的定义：

图 2 Nand控制配置引脚信息

由于K9F2G08U0A的总线宽度为8位，页大小为2048字节，需要5个寻址命令，所以NCON、GPG13和GPG14应该接高电平，GPG15应该接低电平。

K9F2G08U0A没有地址或数据总线，只有8个IO口，这8个IO口用于传输命令、地址和数据。K9F2G08U0A主要以page（页）为单位进行读写，以block（块）为单位进行擦除。每一页中又分为main区和spare区，main区用于正常数据的存储，spare区用于存储一些附加信息，如块好坏的标记、块的逻辑地址、页内数据的ECC校验和等。K9F2G08U0A的存储阵列如图 3所示：

图 3 K9F2G08U0A内部存储阵列

由上图，我们可以知道：K9F2G08U0A的一页为（2K＋64）字节（2K表示的是main区容量， 64表示的是spare区容量），它的一块为64页，而整个设备包括了2048个块。这样算下来一共有2112M位容量，如果只算main区容量则有256M字节（即256M×8位）。

图 4 K9F2G08U0A地址序列

要实现用8个IO口来要访问这么大的容量，如图 4所示：K9F2G08U0A规定了用5个周期来实现。第一个周期访问的地址为A0~A7；第二个周期访问的地址为A8~A11，它作用在IO0~IO3上，而此时IO4~IO7必须为低电平；第三个周期访问的地址为A12~A19；第四个周期访问的地址为A20~A27；第五个周期访问的地址为A28，它作用在IO0上，而此时IO1~IO7必须为低电平。前两个周期传输的是列地址，后三个周期传输的是行地址。通过分析可知，列地址是用于寻址页内空间，行地址用于寻址页，如果要直接访问块，则需要从地址A18开始。由于所有的命令、地址和数据全部从8位IO口传输，所以Nand flash定义了一个命令集来完成各种操作。有的操作只需要一个命令（即一个周期）即可，而有的操作则需要两个命令（即两个周期）来实现。K9F2G08U0A的命令说明如图 5所示：

图 5 K9F2G08U0A命令表

为了方便使用，我们宏定义了K9F2G08U0A的常用命令

#define CMD_READ10x00 //页读命令周期1

#define CMD_READ20x30 //页读命令周期2

#define CMD_READID 0x90 //读ID命令

#define CMD_WRITE1 0x80 //页写命令周期1

#define CMD_WRITE2 0x10 //页写命令周期2

#define CMD_ERASE1 0x60 //块擦除命令周期1

#define CMD_ERASE2 0xd0 //块擦除命令周期2

#define CMD_STATUS0x70 //读状态命令

#define CMD_RESET0xff //复位

#define CMD_RANDOMREAD1 0x05 //随意读命令周期1

#define CMD_RANDOMREAD2 0xE0 //随意读命令周期2

#define CMD_RANDOMWRITE 0x85 //随意写命令

接下来介绍几个Nand Flash控制器的寄存器。Nand Flash控制器的寄存器主要有NFCONF（Nand Flash配置寄存器），NFCONT（Nand Flash控制寄存器），NFCMMD（Nand Flash命令集寄存器），NFADDR（Nand Flash地址集寄存器），NFDATA（Nand Flash数据寄存器），NFMECCD0/1（Nand Flash的main区ECC寄存器），NFSECCD（Nand Flash的spare区ECC寄存器），NFSTAT（Nand Flash操作状态寄存器），NFESTAT0/1（Nand Flash的ECC状态寄存器），NFMECC0/1（Nand Flash用于数据的ECC寄存器），以及NFSECC（Nand Flash用于IO的ECC寄存器）。

（1）NFCONF:2440的NFCONF寄存器是用来设置NAND Flash的时序参数TACLS、TWRPH0、TWRPH1。配置寄存器的[3:0]是只读位，用来指示外部所接的Nand Flash的配置信息，它们是由配置引脚NCON，GPG13，GPG14和GPG15所决定的（比如说K9F2G08U0A的配置为NCON、GPG13和GPG14接高电平，GPG15接低电平，所以[3:0]位状态应该是1110）。

（2）NFCONT：用来使能/禁止NAND Flash控制器、使能/禁止控制引脚信号nFCE、初始化ECC。它还有其他功能，在一般的应用中用不到，比如锁定NAND Flash。

（3）NFCMMD：对于不同型号的Flash，操作命令一般不一样。参考前面介绍的K9F2G08U0A命令序列。

（4）NFADDR:当写这个寄存器时，它将对Flash发出地址信号。只用到低8位来传输，所以需要分次来写入一个完整的32位地址，K9F2G08U0A的地址序列在图4已经做了详细说明。

（5）NFDATA:只用到低8位，读、写此寄存器将启动对NAND Flash的读数据、写数据操作。

（6）NFSTAT:只用到位0，用来检测NAND是否准备好。0：busy，1：ready。

NFCONF寄存器使用TACLS、TWRPH0、TWRPH1这3个参数来控制NAND Flash信号线CLE/ALE与写控制信号nWE的时序关系，它们之间的关系如图6和图7所示：

图6 CLE/ALE时序图

图7 nWE和nRE时序图

TACLS为CLE/ALE有效到nWE有效之间的持续时间，TWRPH0为nWE的有效持续时间，TWRPH1为nWE无效到CLE/ALE无效之间的持续时间，这些时间都是以HCLK为单位的。通过查阅K9F2G08U0A的数据手册，我们可以找到并计算与S3C2440相对应的时序：K9F2G08U0A中的Twp与TWRPH0相对应，Tclh与TWRPH1相对应， TACLS应该是与Tcls相对应。K9F2G08U0A给出的都是最小时间， 2440只要满足它的最小时间即可。TACLS、TWRPH0、TWRPH1这三个变量取值大一些会更保险，在这里，这三个值分别取1，2和0。