S5PV210开发系列七

Nand驱动实现

象棋小子    1048272975

Nand flash具有大容量、改写速度快、接口简单等优点，适用于大量数据的存储，为固态大容量存储提供了廉价有效的解决方案。各种电子产品中如手机存储器、sd卡、u盘等均采用Nand flash存储，笔者此处就Nand驱动实现作一个简单的介绍。

1.  Nand flash概述

东芝公司在1989年最先发表Nand flash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。随着Nand技术的发展，根据Nand颗粒存储单元，可以分为SLC(Single Level Cell)、MLC(Multi LevelCell)、TLC(Trinary Level Cell)。SLC为1bit/cell，即1个储存单元存放1bit数据，其特点是成本高、容量小、速度快、寿命长(约10万次擦写)。MLC为2bit/cell，即1个储存单元存放2bit数据，相比SLC来说，其价格一般，容量可以更大，速度一般、寿命一般(约1万次擦写)。TLC为3bit/cell，即1个储存单元存放3bit数据，因此相同容量下其成本最低，容量相比最大，但速度最慢，寿命也最短(约1000次擦写)。目前市面上基于Nand
flash的存储器，如sd卡、u盘等大多为MLC型，但对于高容量Nand存储器，如64G以上sd卡等，很有可能为TLC型Nand flash。

2. Nand驱动实现

Nand flash由Block(块)构成，Block的基本单元为Page(页)，每个页又分为Data area(数据存储区域)以及Spare area(备用区域)。由于Nand flash在出厂以及在使用过程中会出现坏块，以及会出现位反转的问题，为了数据的可靠性，通常需要采用ecc(Error Correcting Code)算法，一般对于SLC Nand，采用1bit ecc即可，对于MLC Nand，需采用4bit以上ecc，而Spare area即用来保存坏块标记、ecc数据等额外信息。通常Nand
flash的读取和编程以页为基础，而擦除却是基于块的。Nand flash编程只能把1编程成0，而不能把0编程成1，因此在页编程时，必须已先擦除。

笔者采用Nand flash为Samsung的K9F4G08U0E，一页有(2048+64)Byte，一个Block有64页，容量大小为(512M+16M)Byte，是一款8位宽的SLC Nand flash。

Nand flash驱动一般应实现Nand初始化、页读、页编程、坏块标记、坏块检查、块擦除这几个接口实现。

2.1. Nand初始化

Nand初始化主要是对Nand引脚功能初始化、根据具体的Nand flash，设置最佳的Nand访问时序。

void Nand_Init(void)

{

// 配置nand控制引脚

MP01CON_REG =(MP01CON_REG & ~(0xf<<8)) | (0x3<<8); // NFCS0

MP01PUD_REG&= ~(3<<4); // pull-up/down disable

MP03CON_REG =0x22222222;

MP03PUD_REG =0;

NFCONF_REG =(2<<12)|(2<<8)|(1<<4)|(0<<3)|(0<<2)|(1<<1);

NFCONT_REG =(1<<23)|(1<<22)|(1<<5)|(1<<4)|(1<<2)|(1<<1)|(1<<0);

Nand_Reset();

}

2.2. Nand页读

K9F4G08U0E一页分为2k的data area与64字节的spare area，data area用来存储正常数据，sparearea用来存储附加数据(如ecc数据)。对于flash存储器，是会出现位反转或坏块的问题，写入flash的数据或从flash读出的数据可能是有错的，因此必须采用ecc算法，确保写入的数据与读出的数据是一致的。对于SLC Nand Flash，只需1位ecc即可，每512 byte产生4 byte的ecc数据，最多可纠错1位，spare area 0~1字节存放坏块标记，2~17字节存放该页ecc数据，18~19字节存放spare
area产生的ecc数据，剩余spare area存放接口需要写入的其它spare area数据。

int32_t Nand_ReadWithOob(uint32_t page, uint8_t *data,uint32_t data_len, uint8_t *oob, uint32_t oob_len)

{

uint8_t ecc[16];

uint32_t i;

uint8_t *pecc;

uint8_t *pBuffer;

uint32_t MECC, SECC;

uint16_t Col;

uint8_t Status;

if (!data && (data_len!=0)) {

return -1;

}

if (!oob && (oob_len!=0)) {

return -1;

}

// 保留oob前面20字节作为坏块标记以及数据ecc

if ((data_len>2048) || (oob_len>64-20)) {

return -2;

}

// ecc data 16字节开始于spare区的第2个字节偏移处

Col = 2048 + 2;

NF_INIT_SECC();

NF_SECC_UNLOCK(); // 解锁spare ECC

NF_CE_ENABLE();

NF_CLEAR_RB();

NF_CMD(NAND_CMD_READ0); // page read cycle 1

NF_ADDR(Col & 0xff); // column address

NF_ADDR(Col >> 8); // columu address

NF_ADDR(page & 0xff); // 传输3字节的页地址

NF_ADDR((page>>8) & 0xff);

NF_ADDR((page>>16) & 0xff);

NF_CMD(NAND_CMD_READSTART); // page read cycle 2

NF_WAIT_READY(); // 等待页读完成

for (i=0; i<16; i++) {

ecc[i] =NF_READ_BYTE();

}

NF_SECC_LOCK();

SECC = NF_READ_BYTE();

SECC |= NF_READ_BYTE() << 8;

for (i=0; i<oob_len; i++) {

oob[i] =NF_READ_BYTE();

}

NFSECCDATA0_REG=((SECC&0xff00)<<8)|(SECC&0xff);

NF_CE_DISABLE();

// Read ecc status

Status = NFESTAT0_REG;

if (((Status>>2) & 0x3) == 1) {

// ecc 1biterror, Correctable

ecc[(Status>>21)&0xf]^= (1 << ((Status>>18) & 0x7));

} else if (((Status>>2) & 0x3) > 1) {

Debug("ECCuncorrectable error detected\r\n");

return -3;

}

if (data_len == 0) {

return 0;

}

NF_CE_ENABLE(); // 使能片选

NF_CLEAR_RB(); // 清数据传输标志

NF_CMD(NAND_CMD_READ0); // page read cycle 1

NF_ADDR(0); // column address

NF_ADDR(0); // columu address

NF_ADDR(page & 0xff); // 写入3字节的页地址

NF_ADDR((page>>8) & 0xff);

NF_ADDR((page>>16) & 0xff);

NF_CMD(NAND_CMD_READSTART); // page read cycle 2

NF_WAIT_READY(); // 等待命令完成

// read main area

pecc = ecc;

while (data_len) {

pBuffer =data;

NF_INIT_MECC();// main区ECC清空

NF_MECC_UNLOCK();// main区ECC解锁，开始ECC计算

for (i=0;i<512; i++) {

*data++ =NF_READ_BYTE();

data_len--;

if(data_len == 0) {

break;

}

}

NF_MECC_LOCK();// 锁定main ECC

// SLC: Writeecc to compare

MECC =(pecc[1] << 16) | (pecc[0] << 0);

NFMECCDATA0_REG= MECC;

MECC =(pecc[3] << 16) | (pecc[2] << 0);

NFMECCDATA1_REG= MECC;

pecc += 4;

// Read eccstatus

Status =NFESTAT0_REG;

if ((Status& 0x3) == 1) {

// 1biterror, Correctable

pBuffer[(Status>>7)&0x7ff]^= (1 << ((Status>>4) & 0x7));

} else if((Status & 0x3) > 1) {

Debug("ECCuncorrectable error detected\r\n");

NF_CE_DISABLE();

return-4;

}

}

NF_CE_DISABLE();

return 0;

}

2.3. Nand页编程

当要写数据到一个页时，要先确保这个块已经被擦除。数据写完后，为确保写入与读取的数据一致，应同时写入数据的ecc值到spare area约定好的位置。

int32_t Nand_WriteWithOob(uint32_t page, const uint8_t*data, uint32_t data_len, const uint8_t *oob, uint32_t oob_len)

{

uint8_t ecc[16];

uint32_t i;

uint8_t *pecc;

uint32_t MECC, SECC;

uint32_t data_len_temp;

uint16_t Col;

uint8_t State;

if (!data && (data_len!=0)) {

return -1;

}

if (!oob && (oob_len!=0)) {

return -1;

}

// 保留oob前面20字节作为坏块标记以数据ecc

if ((data_len>2048) || (oob_len>64-20)) {

return -2;

}

NF_CE_ENABLE(); // 使能片选

NF_CLEAR_RB(); // 清数据传输标志

NF_CMD(NAND_CMD_SEQIN); // page program cycle 1

NF_ADDR(0); // column address

NF_ADDR(0); // columu address

NF_ADDR(page & 0xff); // 写入3字节页地址

NF_ADDR((page>>8) & 0xff);

NF_ADDR((page>>16) & 0xff);

pecc = ecc;

data_len_temp = data_len;

// write main area

while (data_len_temp) {

NF_INIT_MECC();// main区ECC清空

NF_MECC_UNLOCK();// main区ECC解锁，开始ECC计算

// Write bufferto main area

for (i=0;i<512; i++) {

NF_WRITE_BYTE(*data++);

data_len_temp--;

if(data_len_temp == 0) {

break;

}

}

NF_MECC_LOCK();// 锁定main ECC

MECC =NFMECC0_REG; // 4字节写main区数据的ECC

*pecc++ =MECC & 0xff;

*pecc++ =(MECC>>8) & 0xff;

*pecc++ =(MECC>>16) & 0xff;

*pecc++ =(MECC>>24) & 0xff;

}

if (data_len < 2048) {

// 调整到oob区

Col = 2048;

NF_CMD(NAND_CMD_RNDIN);// 页内随机写命令

NF_ADDR(Col& 0xff); // 2字节页内地址

NF_ADDR((Col>>8)& 0xff);

}

// Reserved for bad block (2 byte)

NF_WRITE_BYTE(0xff);

NF_WRITE_BYTE(0xff);

NF_INIT_SECC();

NF_SECC_UNLOCK(); // 解锁spare ECC

// main ecc 16 byte, start spare area offset 2

for (i=0; i<16; i++) {

NF_WRITE_BYTE(ecc[i]);

}

NF_SECC_LOCK(); // 锁定spare ECC

SECC = NFSECC_REG; // 2字节的spare写数据ECC

NF_WRITE_BYTE(SECC & 0xff); // 继续写入SECC

NF_WRITE_BYTE((SECC>>8) & 0xff);

for (i=0; i<oob_len; i++) {

NF_WRITE_BYTE(oob[i]);

}

NF_CMD(NAND_CMD_PAGEPROG); // page program cycle 2

NF_WAIT_READY(); // 等待写完

NF_CMD(NAND_CMD_STATUS); // 读取nand状态

do {

State =NF_READ_BYTE();

} while(!(State & (1<<6))); // 等待状态变成Ready

NF_CE_DISABLE();

// 是否写成功,第0位为0则pass,不然fail

if (State & (1<<0)) {

return -3; //写不成功

}

return 0;

}

2.4. Nand坏块检查

坏块标记约定用spare area第0~1字节来作标志，坏块这两字节标志为非0xff，好块为0xff。我们读取block中页0，spare  area第0~1字节的值即可判断这个block是否坏块。

int32_t Nand_IsBadBlock(uint32_t Block)

{

uint8_toob[2];

// 每个block第一页spare区0, 1字节非0xff标记为好坏

Nand_Read(Block,0, 2048, 2, oob);

if((oob[0]==0xff) && (oob[1]==0xff)) {

return 0; // 好块

}

return 1; // 坏块

}

2.5. 坏块标记

如果页编程不成功或者擦除失败，检查出坏块，需要对相应的块在约定位置进行坏块标记，以免再对这个坏块进行读写。其代码实现如下：

int32_t Nand_MarkBadBlock(uint32_t Block)

{

// 每个block第一页spare区第0, 1字节标记非0xff坏块

uint8_t oob[2];

oob[0] = 0;

oob[1] = 0;

returnNand_Write(Block, 0, 2048, 2, oob);

}

2.6. 块区擦除

数据写入块区前，对应的块应已擦除好。

int32_t Nand_EraseBlock(uint32_t Block)

{

uint8_tState;

NF_CE_ENABLE();

NF_CLEAR_RB();

NF_CMD(NAND_CMD_ERASE1);// erase block command cycle 1

// write 3cycle block address[A28:A18]

NF_ADDR((Block<<6)& 0xff); // [A19:A18]

NF_ADDR((Block>>2)& 0xff); // [A27:A20]

NF_ADDR((Block>>10)& 0xff); // A28

NF_CMD(NAND_CMD_ERASE2);// erase block command cycle 2

NF_WAIT_READY();

NF_CMD(NAND_CMD_STATUS);

do {

State =NF_READ_BYTE();

}while(!(State & (1<<6))); // 等待状态变成Ready

NF_CE_DISABLE();

// 是否擦写成功,第0位为0则pass,不然fail

if (State& (1<<0)) {

return-1;

}

return 0; // 成功擦除

}

3. Nand启动

对于OneNand/Nand启动设备，BL0除了检验BL1的检验和之外，还会采用8bit ecc检验BL1代码的正确性，BL1在烧录进Nand设备时，还应生成相应的8/16位ECC数据，写入到spare area的指定位置，不然ecc失败也将无法从Nand设备启动。Nand启动需要8bit ecc处理，8bit ecc参考Bootloader中相应的NandBoot.c这个Nand驱动。

图3-1  Nand ECC检验

4. 附录

Nand.rar，Nand驱动实现。

http://pan.baidu.com/s/1gd6fEIv

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