NOR Flash擦写和原理分析 （一）

1. NOR FLASH 的简单介绍

NOR FLASH 是很常见的一种存储芯片,数据掉电不会丢失.NOR FLASH支持Execute On Chip,即程序可以直接在FLASH片内执行(这意味着存储在NOR FLASH上的程序不需要复制到RAM就可以直接运行).这点和NAND FLASH不一样.因此,在嵌入式系统中,NOR FLASH很适合作为启动程序的存储介质.NOR FLASH的读取和RAM很类似(只要能够提供数据的地址,数据总线就能够正确的给出数据),但不可以直接进行写操作.对NOR FLASH的写操作需要遵循特定的命令序列,最终由芯片内部的控制单元完成写操作.

从支持的最小访问单元来看,NOR FLASH一般分为 8 位的和16位的(当然,也有很多NOR FLASH芯片同时支持8位模式和是16 位模式,具体的工作模式通过特定的管脚进行选择).

对8位的 NOR FLASH芯片,或是工作在8-BIT模式的芯片来说,一个地址对应一个BYTE(8-BIT)的数据.例如一块8-BIT的NOR FLASH,假设容量为4个BYTE.那芯片应该有8个数据信号D7-D0 和2个地址信号,A1-A0.地址0x0对应第0个 BYTE,地址0x1对应于1BYTE,地址0x2对应于第2个BYTE,而地址0x3则对应于第3 个BYTE.对16位的 NOR FLASH芯片,或是工作在16-BIT模式的芯片来说,一个地址对应于一个HALF-WORD(16-BIT)的数据.例如,一块16-BIT的 NOR FLASH,假设其容量为4个BYTE.那芯片应该有16 个数据信号线D15-D0 和1个地址信号A0.地址 0x0对应于芯片内部的第0个HALF-WORD,地址0x1对应于芯片内部的第1个 HALF-WORD

FLASH一般都分为很多个SECTOR,每个SECTOR包括一定数量的存储单元.对有些大容量的FLASH,还分为不同的BANK,每个BANK包括一定数目的SECTOR.FLASH的擦除操作一般都是以SECTOR,BANK或是整片FLASH为单位的.

在对FLASH进行写操作的时候,每个BIT可以通过编程由1变为0,但不可以有0修改为1.为了保证写操作的正确性,在执行写操作前,都要执行擦除操作.擦除操作会把FLASH的一个SECTOR,一个BANK或是整片FLASH的值全修改为0xFF.这样,写操作就可以正确完成了.

由于NOR FLASH没有本地坏区管理,所以一旦存储区块发生毁损,软件或驱动程序必须接手这个问题,否则可能会导致设备发生异常. 在解锁、抹除或写入NOR FLASH区块时,特殊的指令会先写入已绘测的记忆区的第一页(Page).接着快闪记忆芯片会提供可用的指令清单给实体驱动程序,而这些指令是由一般性闪存接口(CommON FLASH memory Interface, CFI)所界定的. 与用于随机存取的ROM不同,NOR FLASH也可以用在存储设备上;不过与NAND FLASH相比,NOR FLASH的写入速度一般来说会慢很多.

2. NOR Flash的烧写方式

以下内容,如无特别说明,处理器指的是 ARM 处理器,FLASH 指的都是 NOR FLASH.另外,BYTE指的是8-BIT的数据单元,HALF-WORD代表的是16-BIT的数据单元,而WORD 则代表了32-BIT的数据单元.

2.1 处理器寻址

ARM 可以说是目前最流行的32位嵌进式处理器.在这里只提一下ARM处理器的寻址,为后面做个展垫.从处理器的角度来看,系统中每个地址对应的是一个BYTE的数据单元.这和很多别的处理器都是一样的.

2.2 处理器和NOR FLASH的硬件连接

从前面的先容,我们知道从处理器的角度来看,每个地址对应的是一个 BYTE 的数据单元.而,NOR FLASH 的每个地址有可能对应的是一个BYTE的数据单元,也有可能对应的是一个HALF-WORD的数据单元.所以在硬件设计中,连接ARM处理器和 NOR FLASH时,必须根据实际情况对地址信号做特别的处理.

假如ARM处理器外部扩展的是8-BIT的NOR FLASH, 数据线和地址线的连接应该如图1所示. 从图中我们可以看到,处理器的数据信号D0-D7和 FLASH的数据信号D0-D7是逐一对应连接的,处理器的地址信号A0-An和NOR FLASH的地址信号A0-An 也是逐一对应连接的.

假如ARM处理器外部扩展的是16-BIT的NOR FLASH, 地址线必须要错位连接. 图2给了一个ARM处理器和16-BIT NOR  FLASH的连接示意图.如图2所示,ARM处理器的数据信号D0-D15和FLASH 的数据信号D0-D15是逐一对应的.而ARM处理器的地址信号和NOR FLASH 的地址信号是错位连接的,ARM的A0悬空,ARM 的A1 连接FLASH 的A0,ARM 的A2连接FLASH的A1,依次类推.需要错位连接的原因是:ARM处理器的每个地址对应的是一个BYTE 的数据单元,而 16-BIT 的 FLASH 的每个地址对应的是一个HALF-WORD(16-BIT)的数据单元.为了保持匹配,所以必须错位连接.这样,从ARM处理器发送出来的地址信号的最低位A0对16-BIT FLASH来说就被屏蔽掉了.

补充说明:

  • 一般来说,ARM处理器内部要设置相应的寄存器,告诉处理器外部扩展的FLASH的位宽(8-BIT/16-BIT/32-BIT) .这样,处理器才知道在访问的时候如何从FLASH正确的读取数据;
  • 有些ARM处理器内部可以设置地址的错位.对于支持软件选择地址错位的处理器,在连接16-BIT FLASH的时候,硬件上可以不需要把地址线错位.读者设计的时候,请参考MCU的数据手册,以手册为准,以免造成不必要的麻烦;
  • 假如处理器支持内部设置地址错位,在实际访问的时候,送出的地址实际上是在MCU内部做了错位处理,其作用是等效于硬件连接上的错位的.

上面的描述可能比较抽象,下面让我们来看2个ARM处理器访问16-BIT FLASH的例子:

例子 1:ARM处理器需要从地址0x0读取一个BYTE

  1. ARM处理器在地址线An-A0上送出信号0x0;
  2. 16-BIT FLASH在自己的地址信号An-A0上看到的地址是0x0,然后将地址0x0对应的16-BIT数据单元输出到D15-D0上;
  3. ARM处理器知道访问的是16-BIT的FLASH,从D7-D0上读取所需要的一个BYTE的数据.

例子 2:ARM处理器需要从地址0x1读取一个BYTE

  1. ARM处理器在地址线An-A0上送出信号0x1;
  2. 16-BIT FLASH在自己的地址信号An-A0上看到的地址依然是0x0, 然后将地址0x0对应的16-BIT数据单元输出到D15-D0上;
  3. ARM处理器知道访问的是16-BIT的FLASH,从D15-D8 上读取所需要的一个BYTE 的数据.

2.3 从软件角度来看 ARM 处理器和 NOR FLASH 的连接

从软件的角度来理解ARM处理器和 FLASH的连接.对于8-BIT的FLASH的连接,很好理解,由于ARM处理器和8-BIT FLASH的每个地址对应的都是一个 BYTE 的数据单元.所以地址连接毫无疑问是逐一对应的.假如 ARM 处理器连接的是 16-BIT 的处理器,由于 ARM 处理器的每个地址对应的是一个 BYTE 的数据单元,而 16-BIT FLASH 的每个地址对应的是一个 HALF-WORD 的16-BIT的数据单元.所以,也毫无疑问,ARM处理器访问16-BIT处理器的时候,地址肯定是要错开一位的.在写FLASH驱动的时候,我们不需要知道地址错位是由硬件实现的,还是是通过设置ARM处理器内部的寄存器来实现的,只需要记住2点:

  1. ARM处理器访问8-BIT FLASH的时候,地址是逐一对应的;
  2. ARM处理器访问16-BIT FLASH的时候,地址肯定是错位的.

2.4 8-BIT FLASH 烧写驱动实例 - HY29F040

HY29F040是现代公司的一款8-BIT的NOR FLASH.在这个小节里,我们以这个芯片为例子,讲述如何对8-BIT NOR FLASH进行操作.

HY29F040的容量为512K-BYTE,总共包括8 个SECTOR,每个SECTOR 的容量是64K-BYTE.该芯片支持SECTOR擦除,整片擦除和以BYTE 为基本单位的写操纵.HY29F040的命令定义如表-1所示.

下面,我们来看看如何实现基本的擦除和编程操作.在本节后面的描述中,我们使用了下面的2 个定义:

U32 sysbase;          //该变量用来表示 FLASH 的起始地址
#define SysAddr8(sysbase, offset)    ((volatile U8*)(sysbase)+(offset))   //用来方便对指定的 FALSH 地址进行操作

宏SysAddr8定义了一个 BYTE(8-BIT)指针,其地址为(sysbase + offset).假设FLASH的起始地址为0x10000000,假如要将0xAB写到FLASH的第一个BYTE中往,可以用下面的代码:

*SysAddr8(0x10000000, 0x1) = 0xAB;

注意：

在本节后面的描述中,sysbase代表的是FLASH的起始地址,而SysAddr8中的offset则代表了相对于FLASH起始地址的BYTE偏移量.offset也是8-BIT FLASH在自己的地址信号An-A0上看到的地址.

a. 整片擦除操作

整片擦除操纵共需要6个周期的总线写操作:

  1. 将 0xAA写到 FLASH 地址 0x5555;
  2. 将 0x55 写到 FLASH 地址 0x2AAA;
  3. 将 0x80 写到 FLASH 地址 0x5555;
  4. 将 0xAA写到 FLASH 地址 0x5555;
  5. 将 0x55 写到 FLASH 地址 0x2AAA;
  6. 将 0x10 写到 FLASH 地址 0x5555.

对应的代码:

*SysAddr8(sysbase, 0x5555) = 0xAA;    //将值 0xAA写到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr8(sysbase, 0x2AAA) = 0x55;    //将值 0x55 写到 FLASH 地址 0x2AAA
*SysAddr8(sysbase, 0x5555) = 0x80;    //将值 0x80 写到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr8(sysbase, 0x5555) = 0xAA;    //将值 0xAA写到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr8(sysbase, 0x2AAA) = 0x55;    //将值 0x55 写到 FLASH 地址 0x2AAA
*SysAddr8(sysbase, 0x5555) = 0x10;    //将值 0x10 写到 FLASH 地址 0x5555
b. SECTOR擦除操作

SECTOR的擦除操纵共需要6个周期的总线写操作:

  1. 将 0xAA写到 FLASH 地址 0x5555;
  2. 将 0x55 写到 FLASH 地址 0x2AAA;
  3. 将 0x80 写到 FLASH 地址 0x5555;
  4. 将 0xAA写到 FLASH 地址 0x5555;
  5. 将 0x55 写到 FLASH 地址 0x2AAA;
  6. 将 0x30 写到要擦除的 SECTOR 对应的地址.

对应的代码:

*SysAddr8(sysbase, 0x5555) = 0xAA;    //将值 0xAA写到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr8(sysbase, 0x2AAA) = 0x55;    //将值 0x55 写到 FLASH 地址 0x2AAA
*SysAddr8(sysbase, 0x5555) = 0x80;    //将值 0x80 写到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr8(sysbase, 0x5555) = 0xAA;    //将值 0xAA写到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr8(sysbase, 0x2AAA) = 0x55;    //将值 0x55 写到 FLASH 地址 0x2AAA
*SysAddr8(sysbase, addr) = 0x30;     //将值 0x30 写到要擦除的 SECTOR 对应的地址
c. BYTE擦除操作

写一个BYTE 的数据到FLASH中往,需要 4个周期的总线写操作:

  1. 将 0xAA写到 FLASH 地址 0x5555;
  2. 将 0x55 写到 FLASH 地址 0x2AAA;
  3. 将 0xA0 写到 FLASH 地址 0x5555;
  4. 将编程数据(BYTE)写到对应的编程地址上.

对应的代码:

*SysAddr8(sysbase, 0x5555) = 0xAA;    //将值 0xAA写到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr8(sysbase, 0x2AAA) = 0x55;    //将值 0x55 写到 FLASH 地址 0x2AAA
*SysAddr8(sysbase, 0x5555) = 0xA0;    //将值 0xA0 写到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr8(sysbase, addr) = data;      //将一个 BYTE的数据写到期看的地址

2.5 16-BIT FLASH 烧写驱动实例 - SST39VF160

SST39VF160是SST公司的一款16-BIT的NOR FLASH. 在这个小节里, 我们以SST39VF160为例子, 讲述如何对16-BIT NOR FLASH进行操作.对8-BIT FLASH的操作很好理解,但对16-BIT FLASH的操作理解起来要晦涩很多.我尽力描述得清楚些.

SST39VF160的容量为2M-BYTE , 总共包括512个SECTOR, 每个SECTOR 的容量是4K-BYTE. 该芯片支持SECTOR擦除,整片擦除和以 HALF-WORD 为基本单位的写操纵.SST39VF160 的命令定义如表-2 所示.在表 2 中,由于所有命令都是从FLASH的角度来定义的. 所以,   所有的地址都是HALF-WORD地址, 指的是16-BIT FLASH在自己的地址信号An-A0上看到的地址.

在本节后面的描述中,我们使用了下面的2个定义:

U32 sysbase;          //该变量用来表示 FLASH 的起始地址
#define SysAddr16(sysbase, offset)  ((volatile U16*)(sysbase)+(offset))  //用来方便对指定的 FALSH 地址进行操作

SysAddr16(sysbase,  offset)首先定义了一个16-BIT HALF-WORD的指针,指针的地址为sysbase,然后根据offset做个偏移操纵. 由于HALF-WORD指针的地址是2个BYTE对齐的, 所以每个偏移操纵会使得地址加2.  终极, SysAddr16 (sysbase, offset)相当于定义了一个HALF-WORD的指针,其终极地址为(sysbase  +  2offset) .在使用SysAddr16的时候,将sysbase设置成 FLASH 的起始地址,offset 则可以理解为相对于 FLASH 起始地址的HALF-WORD 偏移量或是偏移地址.假设FLASH 的起始地址为 0x10000000,SysAddr16(0x10000000, 0)指向 16-BIT FLASH 的第 0 个HALF-WORD, SysAddr16(0x10000000, 1指向16-BIT FLASH的第1个HALF-WORD.依次类推.假如要将0xABCD分别写到FLASH 的第0个和第 1个HALF-WORD 中往,可以用下面的代码:

*SysAddr16(0x10000000, 0x0) = 0xABCD;
*SysAddr16(0x10000000, 0x1) = 0xABCD;

接下来,我们分别从ARM处理器的角度和FLASH的角度来具体分析一下.

从 ARM 的角度来看:

　　假设 FLASH 的起始地址为 0x10000000,由于 ARM 处理器知道 FLASH 的地址空间为 0x10000000 ~ (0x10000000 +FLASH容量 –  1),所以在对这个地址空间进行访问的时候,会设置好FLASH的片选信号,并将低位的地址输出到 地址信号上.以*SysAddr16(0x10000000, 0x1) = 0xABCD 为例.从ARM 处理器的角度来看,该操纵是把0xABCD写到地址0x10000002上往.所以ARM处理器终极会在它的地址信号An-A0输出地址0x2,同时会在D15-D0 上输出0xABCD.

从 FLASH 的角度来看:

　　还是以  *SysAddr16(0x10000000, 0x1) = 0xABCD 为例,FLASH看到的地址是多少呢?接着分析.ARM 处理器在执行操纵的时候,会设置好相应的FLASH片选使能信号,并在ARM的地址信号An-A0上输出 0x2.由于 ARM和 16-BIT FLASH的地址信号的连接是错开一位的, 所以, FLASH终极在自己的地址An-A0上看到的信号是0x1, 相当于将ARM处理器输出的地址往右做了一个移位操纵,恰好对应的是FLASH的第1 个HALF-WORD.同时,FLASH会在自己的D15-D0上看到数据0xABCD.

通过上面的分析,我们知道 SysAddr16 中指定的 offset 的值就是 16-BIT FLASH 在自己的地址 An-A0 上看到的值.所以,我们可以很方便的通过 SysAddr16(sysbase, offset) 对 FLASH 进行操纵,其中 sysbase 代表 FLASH 起始地址,offset 则代表了FLASH 的第几个HALF-WORD(HALF-WORD偏移量或偏移地址)

注意:

  1. 在本节后面的描述中,SysAddr16中的 SYSBASE代表的是FLASH的起始地址,而SysAddr16中的 OFFSET则代表了相对于FLASH起始地址的 HALF-WORD 偏移量或偏移地址.OFFSET 的值也是16-BIT FLASH在自己的地址信号An-A0上看到的值;
  2. 在SST39VF160的命令定义中,所有的地址都是针对FLASH的HALF-WORD地址,指的是在FLASH自己的地址信号An-A0上看到的地址.

整片擦除操作

整片擦除操纵共需要6个周期的总线写操作:

  1. 将 0x00AA写到 FLASH HALF-WORD 地址 0x5555;
  2. 将 0x0055 写到 FLASH HALF-WORD地址 0x2AAA;
  3. 将 0x0080 写到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555;
  4. 将 0x00AA写到 FLASH HALF-WORD 地址 0x5555;
  5. 将 0x0055 写到 FLASH HALF-WORD地址 0x2AAA;
  6. 将 0x0010 写到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555.

对应的代码:

*SysAddr16(sysbase, 0x5555) = 0x00AA;    //将值 0x00AA 写到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555
*SysAddr16(sysbase, 0x2AAA) = 0x0055;    //将值 0x0055 写到 FLASH HALF-WORD地址 0x2AAA
*SysAddr16(sysbase, 0x5555) = 0x0080;    //将值 0x0080 写到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555
*SysAddr16(sysbase, 0x5555) = 0x00AA;    //将值 0x00AA 写到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555
*SysAddr16(sysbase, 0x2AAA) = 0x0055;    //将值 0x0055 写到 FLASH HALF-WORD地址 0x2AAA
*SysAddr16(sysbase, 0x5555) = 0x0010;    //将值 0x0010 写到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555

SECTOR擦除操作

SECTOR的擦除操纵共需要6个周期的总线写操作:

  1. 将 0x00AA写到 FLASH HALF-WORD 地址 0x5555;
  2. 将 0x0055 写到 FLASH HALF-WORD地址 0x2AAA;
  3. 将 0x0080 写到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555;
  4. 将 0x00AA写到 FLASH HALF-WORD 地址 0x5555;
  5. 将 0x0055 写到 FLASH HALF-WORD地址 0x2AAA;
  6. 将 0x0030 写到要擦除的 SECTOR 对应的 HALF-WORD地址.

对应的代码:

*SysAddr16(sysbase, 0x5555) = 0x00AA;    //将值 0x00AA 写到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555
*SysAddr16(sysbase, 0x2AAA) = 0x0055;    //将值 0x0055 写到 FLASH HALF-WORD地址 0x2AAA
*SysAddr16(sysbase, 0x5555) = 0x0080;    //将值 0x0080 写到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555
*SysAddr16(sysbase, 0x5555) = 0x00AA;    //将值 0x00AA 写到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555
*SysAddr16(sysbase, 0x2AAA) = 0x0055;    //将值 0x0055 写到 FLASH HALF-WORD地址 0x2AAA
*SysAddr16(sysbase, addr >> 1) = 0x0030;    //将值 0x0030 写到要擦除的 SECTOR 对应的HALF-WORD地址

注意:

上面的代码中第6个操纵周期中的ADDR 是从ARM处理器的角度来看的BYTE地址,由于在擦除的时候,用户希看指定的是从 ARM 的角度看到的地址,这样更方便和更直观.而在 SysAddr16 的宏定义中,OFFSET 表示的是相对于FLASH起始地址的 HALF-WORD 偏移量,或是FLASH在自己的地址信号An-A0上看到的地址.所以需要执行一个右移操作,把ADDR转换成 HALF-WORD 地址.

举例说明,SST39VF160 每个 SECTOR 的大小是 4K-BYTE.从 ARM 处器的角度和用户的角度来看,SECTOR-0 相对于FLASH起始地址的BYTE地址是0x0;从FLASH来看SECTOR-0 的HALF-WORD地址是0x0.从ARM处理器的角度和用户的角度来看, FLASH SECTOR-1相对于FLASH起始地址的BYTE地址0x1000; 从FLASH来看, SECTOR-1的HALF-WORD地址应该是(0x1000 >> 1) = 0x800.

假如要擦除SECTOR-0,上面代码的第6条指令应该是:

*SysAddr16(sysbase, 0x0 >> 1) = 0x0030;

假如要擦除SECTOR-1,上面代码的第6条指令应该是:

*SysAddr16(sysbase, 0x1000 >> 1) = 0x0030;

HALF-WORD 编程操作

写一个HALF-WORD的数据到FLASH中往,需要4个周期的总线写操作:

  1. 将 0x00AA写到 FLASH HALF-WORD 地址 0x5555;
  2. 将 0x0055 写到 FLASH HALF-WORD地址 0x2AAA;
  3. 将 0x00A0 写到 FLASH HALF-WORD 地址 0x5555;
  4. 将编程数据(HALF-WORD)写到对应的 HALF-WORD地址.

对应的代码:

*SysAddr16(sysbase, 0x5555) = 0x00AA;      //将值 0x00AA 写到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr16(sysbase, 0x2AAA) = 0x0055;      //将值 0x0055 写到 FLASH 地址 0x2AAA
*SysAddr16(sysbase, 0x5555) = 0x00A0;      //将值 0x00A0 写到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr16(sysbase, addr >> 1) = data;      //将数据写到对应的 HALF-WORD 地址

注意:

上面的代码中第4个操作周期中的ADDR是从ARM处理器的角度来看的BYTE地址, 由于在执行写操作的时候,用户希看指定的是从 ARM 的角度看到的地址,这样会更方便和更直观.而在 SysAddr16 的宏定义中,OFFSET表示的是相对于FLASH起始地址的HALF-WORD偏移量. 所以需要执行一个右移操纵, 把它转换成HALF-WORD地址.

例如要将数据 0x0123 写到地址 0x0处,对应的是 FLASH 的第 0 个 HAFL-WORD,对应的 HALF-WORD 地址应该是0x0,上面代码的第4条指令应该是:

*SysAddr16(sysbase, 0x0 >> 1) = 0x0123;

又如要将数据0x4567写到地址0x2处, 对应的是FLASH的第1个 HALF-WORD, 对应的HALF-WORD地址应该是0x1, 上面代码的第4条指令应该是:

*SysAddr16(sysbase, 0x2 >> 1) = 0x4567;

再如要将数据0x89AB写到地址0x4处, 对应的是FLASH的第2个HALF-WORD, 对应的HALF-WORD地址应该是0x2,上面代码的第4条指令应该是:

*SysAddr16(sysbase, 0x4 >> 1) = 0x89AB;

还如要将数据0xCDEF 写到地址 0x6处,对应的是 FLASH 的第 3 个 HALF-WORD,对应的 HALF-WORD 地址应该是0x3,上面代码的第4条指令应该是:

*SysAddr16(sysbase, 0x6 >> 1) = 0xCDEF;

2.6 结束语

以上简单介绍了NOR FLASH原理,以及如何对NOR FLASH进行操作, 但没有包括状态查询, 保护等其他操纵. 对于更复杂的多片FLASH并联的情况也没有讨论,如有需要者,可自行分析.

时间： 2024-10-07 14:18:36

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