• Nand_Flash工作原理(学习)2


         Tips 1、【nand Flash中页的访问顺序】在一个块内,对每一个页进行编程的话,必须是顺序的,而不能是随机的。比如,一个块中有128个页,那么你只能先对page0编程,再对page1编程,。。。。,而不能随机的,比如先对page3,再page1,page2.,page0,page4,.。。。
                2、【片选无关(CE don’t-care)技术】没明白什么意思?很多Nand flash支持一个叫做CE don’t-care的技术,字面意思就是,不关心是否片选,那有人会问了,如果不片选,那还能对其操作吗?答案就是,这个技术,主要用在当时是不需要选中芯片却还可以继续操作的这些情况:在某些应用,比如录音,音频播放等应用中,外部使用的微秒(us)级的时钟周期,此处假设是比较少的2us,在进行读取一页或者对页编程时,是对Nand Flash操作,这样的串行(Serial Access)访问的周期都是20/30/50ns,都是纳秒(ns)级的,此处假设是50ns,当你已经发了对应的读或写的命令之后,接下来只是需要Nand Flash内部去自己操作,将数据读取或写入进去到内部的数据寄存器中而已,此处,如果可以把片选取消,CE#是低电平有效,取消片选就是拉高电平,这样会在下一个外部命令发送过来之前,即微秒量级的时间里面,即2us-50ns≈2us,这段时间的取消片选,可以降低很少的系统功耗,但是多次的操作,就可以在很大程度上降低整体的功耗了。

               3、【读(read)操作过程详解】解释时序图之前,让我们先要搞清楚,我们要做的事情:那就是,要从nand flash的某个页里面,读取我们要的数据。要实现此功能,会涉及到几部分的知识,至少很容易想到的就是:需要用到哪些命令,怎么发这些命令,怎么计算所需要的地址,怎么读取我们要的数据等等。

    下面,就一步步的解释,需要做什么,以及如何去做:
    1.需要使用何种命令
    首先,是要了解,对于读取数据,要用什么命令。
    下面是datasheet中的命令集合:

                        图5.Nand Flash K9K8G08U0A的命令集合
    很容易看出,我们要读取数据,要用到Read命令,该命令需要2个周期,第一个周期发0x00,第二个周期发0x30。
     2.发送命令前的准备工作以及时序图各个信号的具体含义
    知道了用何命令后,再去了解如何发送这些命令。

     

                                    图6.Nand Flash数据读取操作的时序图

    注:此图来自三星的型号K9K8G08U0A的nand flash的数据手册(datasheet)。
     我们来一起看看,我在图6中的特意标注的①边上的黄色竖线。
    黄色竖线所处的时刻,是在发送读操作的第一个周期的命令0x00之前的那一刻。
    让我们看看,在那一刻,其所穿过好几行都对应什么值,以及进一步理解,为何要那个值。
    (1)黄色竖线穿过的第一行,是CLE。还记得前面介绍命令所存使能(CLE)那个引脚吧?CLE,将CLE置1,就说明你将要通过I/O复用端口发送进入Nand Flash的,是命令,而不是地址或者其他类型的数据。只有这样将CLE置1,使其有效,才能去通知了内部硬件逻辑,你接下来将收到的是命令,内部硬件逻辑,才会将受到的命令,放到命令寄存器中,才能实现后面正确的操作,否则,不去将CLE置1使其有效,硬件会无所适从,不知道你传入的到底是数据还是命令了。
    (2)而第二行,是CE#,那一刻的值是0。这个道理很简单,你既然要向Nand Flash发命令,那么先要选中它,所以,要保证CE#为低电平,使其有效,也就是片选有效。
    (3)第三行是WE#,意思是写使能。因为接下来是往nand Flash里面写命令,所以,要使得WE#有效,所以设为低电平。
    (4)第四行,是ALE是低电平,而ALE是高电平有效,此时意思就是使其无效。而对应地,前面介绍的,使CLE有效,因为将要数据的是命令,而不是地址。如果在其他某些场合,比如接下来的要输入地址的时候,就要使其有效,而使CLE无效了。
    (5)第五行,RE#,此时是高电平,无效。可以看到,知道后面第6阶段,才变成低电平,才有效,因为那时候,要发生读取命令,去读取数据。
    (6)第六行,就是我们重点要介绍的,复用的输入输出I/O端口了,此刻,还没有输入数据,接下来,在不同的阶段,会输入或输出不同的数据/地址。
    (7)第七行,R/B#,高电平,表示R(Ready)/就绪,因为到了后面的第5阶段,硬件内部,在第四阶段,接受了外界的读取命令后,把该页的数据一点点送到页寄存器中,这段时间,属于系统在忙着干活,属于忙的阶段,所以,R/B#才变成低,表示Busy忙的状态的。
    介绍了时刻①的各个信号的值,以及为何是这个值之后,相信,后面的各个时刻,对应的不同信号的各个值,大家就会自己慢慢分析了,也就容易理解具体的操作顺序和原理了。
     
    3.如何计算出,我们要传入的地址
    在介绍具体读取数据的详细流程之前,还要做一件事,那就是,先要搞懂我们要访问的地址,以及这些地址,如何分解后,一点点传入进去,使得硬件能识别才行。
    此处还是以K9K8G08U0A为例,此nand flash,一共有8192个块,每个块内有64页,每个页是2K+64 Bytes,假设,我们要访问其中的第7000个块中的第25页中的1208字节处的地址,此时,我们就要先把具体的地址算出来:
    物理地址=块大小×块号+页大小×页号+页内地址=7000×128K+64×2K+1208=0x36B204B8(917636280),接下来,我们就看看,怎么才能把这个实际的物理地址,转化为nand Flash所要求的格式。
    在解释地址组成之前,先要来看看其datasheet中关于地址周期的介绍:


    图7 Nand Flash的地址周期组成
    结合图7和图5中的2,3阶段,我们可以看出,此nand flash地址周期共有5个,2个列(Column)周期,3个行(Row)周期。而对于对应地,我们可以看出,实际上,列地址A0~A10,就是页内地址,地址范围是从0到2047,而对于多出的A11,理论上可以表示2048~4095,但是实际上,我们最多也只用到了2048~2011,用于表示页内的oob区域,其大小是64字节。
    对应地,A12~A30,称作页号,页的号码,可以定位到具体是哪一个页。而其中,A18~A30,表示对应的块号,即属于哪个块。
    简单解释完了地址组成,那么就很容易分析上面例子中的地址了:
    0x36B204B8 = 00110110  10110010  00000100  1011 1000,分别分配到5个地址周期就是:
       
                  36                     B2                    04                                   B8
             00110110          10110010          0000      0100                 1011 1000
                                              A11-A8                   A7-A0
                              A19-A12
                A27-A20
            A30-A28
    1st周期,A7~A0       :1011 1000=0x B8
    2nd周期,A11~A8      :0000 0100 = 0x04(这里的高四位的0不是原数据中的,而是硬件要求的)
    3rd周期,A19~A12    :0010 0000 = 0x20
    4th周期,A27~A20    :0110 1011 = 0x6B
    5th周期,A30~A28    :0000 0011 = 0x03
    注意,与图7中对应的,*L,意思是地电平,由于未用到那些位,datasheet中强制要求设为0,所以,才有上面的2nd周期中的高4位是0000.其他的A30之后的位也是类似原理,都是0。
    因此,接下来要介绍的,我们要访问第7000个块中的第25页中的1208字节处的话,所要传入的地址就是分5个周期,分别传入两个列地址的:0xB8,0x04,然后再传3个行地址的:0x20,0x6B,0x03,这样硬件才能识别。
     
    4.读操作过程的解释
    准备工作终于完了,下面就可以开始解释说明,对于读操作的,上面图中标出来的,1-6个阶段,具体是什么含义。
    (1)     操作准备阶段:此处是读(Read)操作,所以,先发一个图5中读命令的第一个阶段的0x00,表示,让硬件先准备一下,接下来的操作是读。
    (2)     发送两个周期的列地址。也就是页内地址,表示,我要从一个页的什么位置开始读取数据。
    (3)     接下来再传入三个行地址。对应的也就是页号。
    (4)     然后再发一个读操作的第二个周期的命令0x30。接下来,就是硬件内部自己的事情了。
    (5)     Nand Flash内部硬件逻辑,负责去按照你的要求,根据传入的地址,找到哪个块中的哪个页,然后把整个这一页的数据,都一点点搬运到页缓存中去。而在此期间,你所能做的事,也就只需要去读取状态寄存器,看看对应的位的值,也就是R/B#那一位,是1还是0,0的话,就表示,系统是busy,仍在”忙“(着读取数据),如果是1,就说系统活干完了,忙清了,已经把整个页的数据都搬运到页缓存里去了,你可以接下来读取你要的数据了。
    对于这里。估计有人会问了,这一个页一共2048+64字节,如果我传入的页内地址,就像上面给的1208一类的值,只是想读取1028到2011这部分数据,而不是页开始的0地址整个页的数据,那么内部硬件却读取整个页的数据出来,岂不是很浪费吗?答案是,的确很浪费,效率看起来不高,但是实际就是这么做的,而且本身读取整个页的数据,相对时间并不长,而且读出来之后,内部数据指针会定位到你刚才所制定的1208的那个位置。
    (6)     接下来,就是你“窃取“系统忙了半天之后的劳动成果的时候了,呵呵。通过先去Nand Flash的控制器中的数据寄存器中写入你要读取多少个字节(byte)/字(word),然后就可以去Nand Flash的控制器的FIFO中,一点点读取你要的数据了。
    至此,整个Nand Flash的读操作就完成了。
    对于其他操作,可以根据我上面的分析,一点点自己去看datasheet,根据里面的时序图去分析具体的操作过程,然后对照代码,会更加清楚具体是如何实现的。
     
    【Flash的类型】
    Flash的类型主要分两种,nand flash和nor flash。
    除了网上最流行的这个解释之外:
    NAND和NOR的比较
    再多说几句:
    1.nor的成本相对高,具体读写数据时候,不容易出错。总体上,比较适合应用于存储少量的代码。
    2.Nand flash相对成本低。使用中数据读写容易出错,所以一般都需要有对应的软件或者硬件的数据校验算法,统称为ECC。由于相对来说,容量大,价格便宜,因此适合用来存储大量的数据。其在嵌入式系统中的作用,相当于PC上的硬盘,用于存储大量数据。
    所以,一个常见的应用组合就是,用小容量的Nor Flash存储启动代码,比如uboot,系统启动后,初始化对应的硬件,包括SDRAM等,然后将Nand Flash上的Linux内核读取到内存中,做好该做的事情后,就跳转到SDRAM中去执行内核了,然后内核解压(如果是压缩内核的话,否则就直接运行了)后,开始运行,在Linux内核启动最后,去Nand Flash上,挂载根文件,比如jffs2,yaffs2等,挂载完成,运行初始化脚本,启动consle交互,才运行你通过console和内核交互。至此完成整个系统启动过程。
    而Nor Flash就分别存放的是Uboot,Nand Flash存放的是Linux的内核镜像和根文件系统,以及余下的空间分成一个数据区。
     
    Nor flash,有类似于dram之类的地址总线,因此可以直接和CPU相连,CPU可以直接通过地址总线对nor flash进行访问,而nand flash没有这类的总线,只有IO接口,只能通过IO接口发送命令和地址,对nand flash内部数据进行访问。相比之下,nor flash就像是并行访问,nand flash就是串行访问,所以相对来说,前者的速度更快些。
    但是由于物理制程/制造方面的原因,导致nor和nand在一些具体操作方面的特性不同:

    One Flash
    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容的每一字节(有限的地址引脚是限制其容量的因素之一)。NAND Flash使用复杂的I/O口来串行地存取数据,各个产品或厂商的方法可能各不相同。为了弥补NAND Flash的不足,三星公司在NAND Flash芯片内集成了一个RAM接口,命名为OneNAND Flash,这类Flash拥有与NOR Flash相同的简单接口,而且不受地址引脚的限制,即容量与地址引脚无关。小结:从操作上来看OneNand比NOR,NAND的操作都要复杂,不过,OneNAND的读写性能相当出众,三星最新的OneNAND产品拥有高达108MBps的数据读取带宽,这已达到与NOR闪存相当的水准—这个速度也远远超过了现在的7200转桌面硬盘。相比之下,常规NAND闪存的读取性能只有区区17MBps,两者存在巨大的性能差异。其次,OneNAND的数据写入速度达到9.3MBps,虽然远远不如108MBps的读取速度,但相比NAND闪存的6.8MBps也已经有长足的进步了。与之形成鲜明对比的是,NOR闪存的写入速度只有可怜的0.14MBps,几乎称得上是慢如蜗牛。在数据擦除方面,OneNAND与NAND的指标相同,都达到64MBps,而NOR闪存更只有区区0.11MBps,与前两者完全无法相比。从性能角度来看,OneNAND无论读、写还是擦除都明显凌驾于NAND之上,NOR在写入/擦除方面的性能与之根本不具可比性,对嵌入式设备厂商来说,选择简单的OneNAND来代替NOR+NAND组合的方案是非常可行的。

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