Nand-flash存储器工作原理及其操作实例（以K9F1208UOB为例）
nand flash不能片内执行，但它具有容量大，改写速度快的优点。且nand flash比较廉价，适合用于存放大量数据。但是nand flash比较容易出现位反转问题，在使用中一般需要进行ecc数据校验。
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.
nor和nand是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。intel于1988年首先开发出norflash技术，彻底改变了原先由eprom和eeprom一统天下的局面。紧接着，1989年，东芝公司发表了nandflash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。但是经过了十多年之后，仍然有相当多的硬件工程师分不清nor和nand闪存。nor的特点是芯片内执行（xip，executeinplace），这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统ram中。nor的传输效率很高，在1~4mb的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。
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.
本文以三星公司的k9f1208uob芯片为例，介绍nand-flash存储器芯片的读写流程和时序。
1 nand-flash存储器的工作原理 1.1 nand-flash存储器的组成结构及指令集 k9f1208uob的容量为64mb，存储空间按128k个页（行）、每页中528个字节（列）的组成方式构成。备用的16列，位于列地址的512-527.k9f1208uob还将存储空间分为块（block），每1块由32个页构成。因此k9f1208uob中一共有4096个块。这种“块-页”结构，恰好能满足文件系统中划分簇和扇区的结构要求。k9f1208uob的内部结构如图1所示。
图1 k9f1208uob的内部结构
k9f1208uob的读和写都以页为单位，擦除则以块为单位进行操作。
nandflash的数据是以bit的方式保存在memorycell，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bitline，形成所谓的byte（x8）/word（x16），这就是nanddevice的位宽。这些line会再组成page，（nandflash有多种结构，我使用的nandflash是k9f1208，下面内容针对三星的k9f1208u0m），每页528bytes（512byte（mainarea）+16byte（sparearea）），每32个page形成一个block（32*528b）。具体一片flash上有多少个block视需要所定。我所使用的三星k9f1208u0m具有4096个block，故总容量为4096*（32*528b）=66mb，但是其中的2mb是用来保存ecc校验码等额外数据的，故实际中可使用的为64mb.
1.2 nand-flash操作 1.2.1 页读操作
在初始上电时，器件进入缺省的“读方式1模式”。在这一模式下，页读操作通过将00h指令写入指令寄存器，接着写入3个地址（1个列地址，2个行地址）来启动。一旦页读指令被器件锁存，下面的页读操作就不需要再重复写入指令了。
写入指令和地址后，处理器可以通过对信号线r/b的分析来判断该操作是否完成。如果信号为低电平，表示器件正“忙”;为高电平，说明器件内部操作完成，要读取的数据被送入了数据寄存器。外部控制器可以在以50ns为周期的连续re脉冲信号的控制下，从i/o口依次读出数据。连续页读操作中，输出的数据是从指定的列地址开始，直到该页的最后-个列地址的数据为止。
1.2.2 页写操作
k9f1208uob的写入操作也以页为单位。写入必须在擦除之后，否则写入将出错。
页写入周期总共包括3个步骤：写入串行数据输入指令（80h），然后写入3个字节的地址信息，最后串行写入数据。串行写入的数据最多为528字节，它们首先被写入器件内的页寄存器，接着器件进入一个内部写入过程，将数据从页寄存器写入存储宏单元。
串行数据写入完成后，需要写入“页写入确认”指令10h，这条指令将初始化器件的内部写入操作。如果单独写入10h而没有前面的步骤，则10h不起作用。10h写入之后，k9f1208uob的内部写控制器将自动执行内部写入和校验中必要的算法和时序，这时系统控制器就可以去做别的事了。
内部写入操作开始后，器件自动进入“读状态寄存器”模式。在这一模式下，当re和ce为低电平时，系统可以读取状态寄存器。可以通过检测r/b的输出，或读状态寄存器的状态位（i/o 6）来判断内部写入是否结束。在器件进行内部写入操作时，只有读状态寄存器指令和复位指令会被响应。当页写入操作完成，应该检测写状态位（i/o 0）的电平。
内部写校验只对没有成功地写为0的情况进行检测。指令寄存器始终保持着读状态寄存器模式，直到其他有效的指令写入指令寄存器为止。
1.2.3 块擦除
擦除操作是以块为单位进行的。擦除的启动指令为60h，块地址的输入通过两个时钟周期完成。这时只有地址位a14到a24是有效的，a9到a13则被忽略。块地址载入之后执行擦除确认指令d0h，它用来初始化内部擦除操作。擦除确认命令还用来防止外部干扰产生擦除操作的意外情况。器件检测到擦除确认命令输入后，在we的上升沿启动内部写控制器开始执行擦除和擦除校验。内部擦除操作完成后，检测写状态位（i/o 0），从而了解擦除操作是否有错误发生。
1.2.4 读状态寄存器
k9f1208uob包含一个状态寄存器，该寄存器反应了写入或擦除操作是否完成，或写入和擦除操作是否无错。写入70h指令，启动读状态寄存器周期。状态寄存器的内容将在ce或re的下降沿处送出至i/o端口。
器件一旦接收到读状态寄存器的指令，它就将保持状态寄存器在读状态，直到有其他的指令输入。因此，如果在任意读操作中采用了状态寄存器渎操作，则在连续页读的过程中，必须重发00h或50h指令。
1.2.5 读器件id
k9f1208uob器件具有一个产品鉴定识别码（id），系统控制器可以读出这个id，从而起到识别器件的作用。读id的步骤是：写入90h指令，然后写入一个地址00h.在两个读周期下，厂商代码和器件代码将被连续输出至i/o口。
同样，一旦进入这种命令模式，器件将保持这种命令状态，直到接收到其他的指令为止。
1.2.6 复位
器件提供一个复位（reset）指令，通过向指令寄存器写入ffh来完成对器件的复位。当器件处于任意读模式、写入或擦除模式的忙状态时，发送复位指令可以使器件中止当前的操作，正在被修改的存储器宏单元的内容不再有效，指令寄存器被清零并等待下一条指令的到来。当wp为高时，状态寄存器被清为c0h.
2 系统硬件连线及软件设计 2.1硬件连线 k9f1208uob和s3c2440a的接口电路如图2所示。
图2 k9f1208uob与s3c2440a硬件电路
2.2 软件设计
步骤1:nand-flash初始化
利用ads1.2等工具建立工程文件nandflash_test.mcp，在nand.c文件中test_k9s1208子函数实现了主要测试功能。
gpacon = rgpacon;
rgpacon=（rgpacon &~（0x3f《17））|（0x3f《17）；
首先备份rgpacon的内容，再设置gpa17-22的工作方式。然后调用nand-flash初始化函数。
nf8_init0;//初始化函数
初始化函数的实现源码如下：
rnfconf=（tacls《12）|（twrph0《8）i（twrph1《4）|（0《0）：
rnfcont=（0《13）|（0《12）|（0《10）|（0《9）|（0《8）|（1《6）|（1《5）|（1《4）|（1《1）|（1《0）：
步骤2：读器件id码
由于s3c2440a中没有像支持sdram 一样提供直接与nand-flash存储器的接口，读写的过程要靠软件编程来完成。初始化nand-flash后，就可以对nand-flash进行操作了。
程序调用nf8_print_id（）子函数读出器件id码。
id=nf8_checkid（）； //继续调用子函数
device=（u8）id;
maker=（u8）（id》8）：
uart_printf（“maker：%x，device：%x ”，maker，device）；
nf8_print_id（）源码如下：
nf_cmd（0x90）；//写入90h指令
nf_addr（0x0）；//写入地址00h
for（i=0;i《10;i++）；
uart_printf（“nfstat:0x%x ”，rnfstat）；
id=nf_rddata8（）《8;//maker code 0xec读出id值
id |=nf_rddata8（）；
//devide code（k9s1208v:0x76），（k9k2g16u0m:0xca）
步骤3：页读写程序
本实验实现了某页的写及读出验证功能。test_nfs_rw子函数实现这一功能。
程序首先初始化要写入的数据，*dstpt是要读出验证的数据，先填0;*srcpt是要写入的数据，先用随机数填满。
for（i=0;i《512;i++） *dstpt++=0x0;//填0
for（i=0;i《512;i++）{
#if ads10==true
if（offset==-1） *srcpt++=rand（）%0xff;//随机数填满
#else
if（offset==-1） srcpt++ =i%0xf;
#endif
else *srcpt++=i+offset;
}
写之前先进行擦除工作：
if（nf8_erasebiock（block）==fail） return;
然后进行页写入操作：
if（nf8_writepage（block，page，srcpt）==fail） return;
将用随机数填满的srcpt指向的数据写入到指定的页中。写入之后再读出验证：
if（nf8_readpage（block，page，dstpt）==fail） return;
uart_printf（“checking data. ”）；
for（error=0，i=0;i《512;i++）{
if（*srcpt++！=*dstpt++）{//比较操作
uart_printf（“error：%d［w：%x，r：%x］ ”，i，*srcpt，*dstpt）；
error++;
}
}
if（error！=0）
{uart_printf（“fail to r/w test（%d）。 ”，error）；
return（2）；
}
else
{uart_printf（“r/w test ok. ”）；
return（1）；
}
其中nf8_readpage（block，page，dstpt）将读出的数据放入dstpt指向的地址空间里。最后将写入的数据和读出的数据比较，打印验证信息。
步骤4：编译工程
所有的函数都实现以后，通过ads1.2进行编泽，生成可执行文件。在工程文件夹“ andflash_testaandflash_test_datakdebugrel”下，可以看到nandflash_test.bin可执行文件。
步骤5：下载程序运行
将串口线与硬件开发系统板串口和开发pc机的com1连接好（主要用于回显），用usb线和开发pc 机的usb口相连后（主要用于数据的下载），打开dnw 软件，将串口设置为com1，比特率设置为115200，usb下载地址设为0x30000000.
使用dnw 将前面生成的可执行文件下载到内存中去运行。
3 结束语 本文主要讨论了nand-flash存储器芯片的工作原理以及以三星公司基于arm公司的arm920t处理器核s3c2440a为平台举了一个测试实例，让读者对整个存储系统的软硬件设计过程有了一个较为全面的了解，便于在其它嵌入式系统设计中运用。
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图1 k9f1208uob的内部结构
k9f1208uob的读和写都以页为单位，擦除则以块为单位进行操作。
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1.2 nand-flash操作 1.2.1 页读操作
在初始上电时，器件进入缺省的“读方式1模式”。在这一模式下，页读操作通过将00h指令写入指令寄存器，接着写入3个地址（1个列地址，2个行地址）来启动。一旦页读指令被器件锁存，下面的页读操作就不需要再重复写入指令了。
写入指令和地址后，处理器可以通过对信号线r/b的分析来判断该操作是否完成。如果信号为低电平，表示器件正“忙”;为高电平，说明器件内部操作完成，要读取的数据被送入了数据寄存器。外部控制器可以在以50ns为周期的连续re脉冲信号的控制下，从i/o口依次读出数据。连续页读操作中，输出的数据是从指定的列地址开始，直到该页的最后-个列地址的数据为止。
1.2.2 页写操作
k9f1208uob的写入操作也以页为单位。写入必须在擦除之后，否则写入将出错。
页写入周期总共包括3个步骤：写入串行数据输入指令（80h），然后写入3个字节的地址信息，最后串行写入数据。串行写入的数据最多为528字节，它们首先被写入器件内的页寄存器，接着器件进入一个内部写入过程，将数据从页寄存器写入存储宏单元。
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1.2.4 读状态寄存器
k9f1208uob包含一个状态寄存器，该寄存器反应了写入或擦除操作是否完成，或写入和擦除操作是否无错。写入70h指令，启动读状态寄存器周期。状态寄存器的内容将在ce或re的下降沿处送出至i/o端口。
器件一旦接收到读状态寄存器的指令，它就将保持状态寄存器在读状态，直到有其他的指令输入。因此，如果在任意读操作中采用了状态寄存器渎操作，则在连续页读的过程中，必须重发00h或50h指令。
1.2.5 读器件id
k9f1208uob器件具有一个产品鉴定识别码（id），系统控制器可以读出这个id，从而起到识别器件的作用。读id的步骤是：写入90h指令，然后写入一个地址00h.在两个读周期下，厂商代码和器件代码将被连续输出至i/o口。
同样，一旦进入这种命令模式，器件将保持这种命令状态，直到接收到其他的指令为止。
1.2.6 复位
器件提供一个复位（reset）指令，通过向指令寄存器写入ffh来完成对器件的复位。当器件处于任意读模式、写入或擦除模式的忙状态时，发送复位指令可以使器件中止当前的操作，正在被修改的存储器宏单元的内容不再有效，指令寄存器被清零并等待下一条指令的到来。当wp为高时，状态寄存器被清为c0h.
2 系统硬件连线及软件设计 2.1硬件连线 k9f1208uob和s3c2440a的接口电路如图2所示。
图2 k9f1208uob与s3c2440a硬件电路
2.2 软件设计
步骤1:nand-flash初始化
利用ads1.2等工具建立工程文件nandflash_test.mcp，在nand.c文件中test_k9s1208子函数实现了主要测试功能。
gpacon = rgpacon;
rgpacon=（rgpacon &~（0x3f《17））|（0x3f《17）；
首先备份rgpacon的内容，再设置gpa17-22的工作方式。然后调用nand-flash初始化函数。
nf8_init0;//初始化函数
初始化函数的实现源码如下：
rnfconf=（tacls《12）|（twrph0《8）i（twrph1《4）|（0《0）：
rnfcont=（0《13）|（0《12）|（0《10）|（0《9）|（0《8）|（1《6）|（1《5）|（1《4）|（1《1）|（1《0）：
步骤2：读器件id码
由于s3c2440a中没有像支持sdram 一样提供直接与nand-flash存储器的接口，读写的过程要靠软件编程来完成。初始化nand-flash后，就可以对nand-flash进行操作了。
程序调用nf8_print_id（）子函数读出器件id码。
id=nf8_checkid（）； //继续调用子函数
device=（u8）id;
maker=（u8）（id》8）：
uart_printf（“maker：%x，device：%x ”，maker，device）；
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nf_cmd（0x90）；//写入90h指令
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for（i=0;i《10;i++）；
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id=nf_rddata8（）《8;//maker code 0xec读出id值
id |=nf_rddata8（）；
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本实验实现了某页的写及读出验证功能。test_nfs_rw子函数实现这一功能。
程序首先初始化要写入的数据，*dstpt是要读出验证的数据，先填0;*srcpt是要写入的数据，先用随机数填满。
for（i=0;i《512;i++） *dstpt++=0x0;//填0
for（i=0;i《512;i++）{
#if ads10==true
if（offset==-1） *srcpt++=rand（）%0xff;//随机数填满
#else
if（offset==-1） srcpt++ =i%0xf;
#endif
else *srcpt++=i+offset;
}
写之前先进行擦除工作：
if（nf8_erasebiock（block）==fail） return;
然后进行页写入操作：
if（nf8_writepage（block，page，srcpt）==fail） return;
将用随机数填满的srcpt指向的数据写入到指定的页中。写入之后再读出验证：
if（nf8_readpage（block，page，dstpt）==fail） return;
uart_printf（“checking data. ”）；
for（error=0，i=0;i《512;i++）{
if（*srcpt++！=*dstpt++）{//比较操作
uart_printf（“error：%d［w：%x，r：%x］ ”，i，*srcpt，*dstpt）；
error++;
}
}
if（error！=0）
{uart_printf（“fail to r/w test（%d）。 ”，error）；
return（2）；
}
else
{uart_printf（“r/w test ok. ”）；
return（1）；
}
其中nf8_readpage（block，page，dstpt）将读出的数据放入dstpt指向的地址空间里。最后将写入的数据和读出的数据比较，打印验证信息。
步骤4：编译工程
所有的函数都实现以后，通过ads1.2进行编泽，生成可执行文件。在工程文件夹“ andflash_testaandflash_test_datakdebugrel”下，可以看到nandflash_test.bin可执行文件。
步骤5：下载程序运行
将串口线与硬件开发系统板串口和开发pc机的com1连接好（主要用于回显），用usb线和开发pc 机的usb口相连后（主要用于数据的下载），打开dnw 软件，将串口设置为com1，比特率设置为115200，usb下载地址设为0x30000000.
使用dnw 将前面生成的可执行文件下载到内存中去运行。
3 结束语 本文主要讨论了nand-flash存储器芯片的工作原理以及以三星公司基于arm公司的arm920t处理器核s3c2440a为平台举了一个测试实例，让读者对整个存储系统的软硬件设计过程有了一个较为全面的了解，便于在其它嵌入式系统设计中运用。
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