本文以三星公司的 K9F2808UOB芯片 為例,介紹了NAND Flash的接口電路與驅動的設計方法。文中介紹了開發NAND Flash驅動基本原理，意在簡化嵌入式系統開發過程。
1 NAND Flash工作原理
S3C2410板的NAND Flash支持由兩部分組成：集成在S3C2410 CPU
CPU也稱為中央處理器，是電子計算機的主要設備之一。其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。所謂的計算機的可編程性主要是指對CPU的編程。CPU是計算機中的核心配件，只有火柴盒那么大，幾十張紙那么厚，但它卻是一臺計算機的運算核心和控制核心。計算機中所有操作都由CPU負責讀取指令，對指令譯碼并執行指令的核心部件。CPU、內部存儲器和輸入/輸出設備是電子計算機的三大核心部件。
上的NAND Flash控制器
和NAND Flash存儲芯片。要訪問NAND Flash中的數據,必須通過NAND Flash控制器發送命令才能完成。所以, NAND Flash相當于S3C2410的一個外設,并不位于它的內存內存
內存的正式叫法是內存儲器，以此來與外存儲器區分開。物理上它安裝在計算機內部，通常安裝在主板上，所以稱為內存。它的作用是供暫時存儲處理器需要處理的數據或處理后的結果，可見內存是計算機處理器的工作空間。它是處理器運行的程序和數據必須駐留于其中的一個臨時存儲區域，是計算機十分重要的部件。
地址區。
1.1 芯片內部存儲布局及存儲操作特點
一片NAND Flash為一個設備, 其數據存儲分層為：1設備=4 096塊；1塊=32頁;1頁=528字節=數據塊大小(512字節)+OOB塊大小(16字節)。在每一頁中，最后16字節（又稱OOB，Out?of?Band）用于NAND Flash命令執行完后設置狀態用，剩余512字節又分為前半部分和后半部分。可以通過NAND Flash命令00h/01h/50h分別對前半部、后半部、OOB進行定位，通過NAND Flash內置的指針指向各自的首地址。
存儲操作特點有： 擦除操作的最小單位是塊；NAND Flash芯片每一位只能從1變為0，而不能從0變為1，所以在對其進行寫入操作之前一定要將相應塊擦除(擦除即是將相應塊的位全部變為1)；OOB部分的第6字節(即517字節)標志是否是壞塊，值為FF時不是壞塊，否則為壞塊。除OOB第6字節外，通常至少把OOB的前3字節用來存放NAND Flash硬件ECC碼。
1.2 NAND Flash接口電路
首先介紹開發板開發板
開發板是基于單片機來進行系統開發的電路板，通常是由開發者根據具體需要來定制或者設計的。開發板是一套硬件系統，包括了CPU、存儲器、輸入設備、輸出設備、數據通路和外部資源接口等。
的硬件設計，圖1為NAND Flash接口電路。其中開關開關
開關是最常見的電子元件，功能就是電路的接通和斷開。接通則電流可以通過，反之電流無法通過。在各種電子設備、家用電器中都可以見到開關。
SW的1、2連接時R/B表示準備好/忙，2、3連接時nWAIT可用于增加讀/寫訪問的額外等待周期。在S3C2410處理器中已經集成了NAND Flash控制器，圖2為微控制器微控制器
一個微控制器，（也稱作微處理器或MCU）就是一個小型的計算機，它由一系列簡單的電路和一些支持CPU作用的簡單模塊組成，如晶體振蕩器，定時器，看門狗，串行和模擬I / O口等等。芯片里包括非閃爍存儲器和OTP ROM 用來存儲程序，以及一個很小的讀寫程序。
與NAND Flash連接的方式。
圖1 NAND Flash接口電路
1.3 控制器工作原理
NAND Flash控制器在其專用寄存器區(SFR)地址空間中映射有屬于自己的特殊功能寄存器，就是通過將NAND Flash芯片的內設命令寫到其特殊功能寄存器中，從而實現對NAND Flash芯片讀、檢驗和編程控制。特殊功能寄存器有：NFCONF、NFCMD、NFADDR 、NFDATA、NFSTAT、NFECC。
圖2 NAND Flash與S3C2410連接電路
2 Flash燒寫程序原理及結構
基本原理：將在SDRAM中的一段存儲區域中的數據寫到NAND Flash存儲空間中。燒寫程序在縱向上分三層完成。第一層: 主燒寫函數，將SDRAM中一段存儲區域的數據寫到NAND Flash存儲空間中。第二層: 該層提供對NAND Flash進行操作的頁讀、寫及塊擦除等函數。第三層：為第二層提供具體NAND Flash控制器中對特殊功能寄存器進行操作的核心函數，該層也是真正將數據在SDRAM和NAND Flash之間實現傳送的函數。其中第二層為驅動程序的設計關鍵所在，下面對該層的讀、寫(又稱編程)、擦除功能編碼進行詳細介紹。
2.1 NAND Flash Read
功能：讀數據操作以頁為單位,讀數據時首先寫入讀數據命令00H,然后輸入要讀取頁的地址,接著從數據寄存器中讀取數據,最后進行ECC校驗。
參數說明：block，塊號；page，頁號；buffer，指向將要讀取到內存中的起始位置；返回值1，讀成功，返回值0：讀失敗。
static int NF_ReadPage(unsigned int block, unsigned int page, unsigned char *buffer){
NF_RSTECC(); /* 初始化 ECC */
NF_nFCE_L(); /* 片選NAND Flash芯片*/
NF_CMD(0x00); /* 從A區開始讀 *//* A0~A7(列地址) */
NF_ADDR(0); /* A9A16(頁地址) */
NF_ADDR(blockPage&0xff); /* A17A24,(頁地址) */
NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff);/* A25, (頁地址) */
NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);/* 等待NAND Flash處于再準備狀態 */
ReadPage();/* 讀整個頁, 512字節 */
ReadECC();/* 讀取ECC碼 */
ReadOOB();/* 讀取該頁的OOB塊 *//* 取消NAND Flash 選中*/
NF_nFCE_H();/* 校驗ECC碼, 并返回 */
Return (checkEcc())}
2.2 NAND Flash Program
功能：對頁進行編程命令, 用于寫操作。
命令代碼：首先寫入00h(A區)/01h(B區)/05h(C區), 表示寫入那個區; 再寫入80h開始編程模式(寫入模式)，接下來寫入地址和數據; 最后寫入10h表示編程結束。圖3為程序流程圖。
圖3 寫程序流程
參數說明：block，塊號；page，頁號；buffer，指向內存中待寫入NAND Flash中的數據起始位置；返回值0，寫錯誤，返回值1，寫成功。
static int NF_WritePage(unsigned int block, unsigned int page, unsigned char *buffer){
NF_RSTECC(); /* 初始化 ECC */
NF_nFCE_L(); /* 片選NAND Flash芯片*/
NF_CMD(0x0); /* 從A區開始寫 */
NF_CMD(0x80); /* 寫第一條命令 *//* A0~A7(列地址) */
NF_ADDR(0);/* A9A16(頁地址) */
NF_ADDR(blockPage&0xff);/* A17A24(頁地址) */
NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff); /* A25(頁地址) */
NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);/* 寫頁為512B到NAND Flash芯片 */
WRDATA(); /*OOB一共16字節，每一個字節存放什么由程序員自己定義, 在Byte0 Byte2存ECC檢驗碼，Byte6 存放壞塊標志*/
WRDATA(); /* 寫該頁的OOB數據塊 */
CMD(0x10); /* 結束寫命令 */
WAITRB();/* 等待NAND Flash處于準備狀態 *//* 發送讀狀態命令給NAND Flash */
CMD(0x70);
if (RDDATA()&0x1) { /*如果寫有錯, 則標示為壞塊,取消NAND Flash 選中*/
MarkBadBlock(block);
return 0;
} else { /* 正常退出， 取消NAND Flash 選中*/
return 1;}
2.3 NAND Flash Erase
功能：塊擦除命令。
命令代碼：首先寫入60h進入擦寫模式，然后輸入塊地址，接下來寫入D0h, 表示擦寫結束。
參數說明：block，塊號；返回值0，擦除錯誤（若是壞塊直接返回0；若擦除出現錯誤則標記為壞塊然后返回0），返回值1，成功擦除。
static int NF_EraseBlock(unsigned int block){/* 如果該塊是壞塊, 則返回 */
if(NF_IsBadBlock(block)) return 0;
NF_nFCE_L(); /* 片選NAND Flash芯片*/
NF_CMD(0x60); /* 設置擦寫模式 *//* A9A16(Page Address) , 是基于塊擦除*/
NF_ADDR(blockPage&0xff);
NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff); /* A25(Page Address) */
NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff); NF_CMD(0xd0); WAITRB();CMD(0x70);
if(RDDATA()&0x1){/*如有錯,標為壞塊,取消Flash選中*/
MarkBadBlock(block);
return 0;
} else { /* 退出， 取消Flash 選中*/
return 1;}
3 ECC校檢原理與實現
由于NAND Flash的工藝不能保證NAND的Memory Array 在其生命周期中保持性能可靠，因此在NAND的生產及使用過程中會產生壞塊。為了檢測數據的可靠性，在應用NAND Flash的系統中一般都會采用一定的壞區管理策略，而管理壞區的前提是能比較可靠地進行壞區檢測。如果操作時序和電路穩定性不存在問題的話，NAND Flash出錯的時候一般不會造成整個塊或是頁不能讀取或全部出錯，而是整個頁（例如512字節）中只有一位或幾位出錯。對數據的校驗常用的有奇偶校驗、CRC校驗等，而在NAND Flash處理中，一般使用一種專用的校驗——ECC。ECC能糾正單位錯誤和檢測雙位錯誤，而且計算速度很快，但對1位以上的錯誤無法糾正，對2位以上的錯誤不保證能檢測。ECC一般每256字節原始數據生成3字節ECC校驗數據，這3字節共24位分成兩部分：6位的列校驗和16位的行校驗，多余的2位置1，如表1所列。
表1 校檢數據組成
首先介紹ECC的列校檢。ECC的列校驗和生成規則如圖4所示，“^”表示“位異或”操作。由于篇幅關系，行校檢不作介紹，感興趣的讀者可以參考芯片datasheet，在三星公司網站可以免費下載。
圖4 列校驗和生成規則
數學表達式為：
當向NAND Flash的頁中寫入數據時，每256字節生成一個ECC校驗和，稱之為原ECC校驗和，保存到頁的OOB數據區中。當從NAND Flash中讀取數據時，每256字節生成一個ECC校驗和，稱之為新ECC校驗和。校驗的時候，根據上述ECC生成原理不難推斷：將從OOB區中讀出的原ECC校驗和與新ECC校驗和按位異或，若結果為0，則表示無錯（或者出現了 ECC無法檢測的錯誤）；若3字節異或結果中存在11位為1，表示存在一個位錯誤，且可糾正；若3個字節異或結果中只存在1位為1，表示 OOB區出錯；其他情況均表示出現了無法糾正的錯誤。
4 UBOOT下功能驗證
實現UBOOT對NAND Flash的支持主要是在命令行下實現對NAND Flash的操作。對NAND Flash實現的命令為：nand info、nand device 、nand read、nand write、nand erease、nand bad。用到的主要數據結構有：struct nand_flash_dev和struct nand_chip，前者包括主要的芯片型號、存儲容量、設備ID、I/O總線
總線是將信息以一個或多個源部件傳送到一個或多個目的部件的一組傳輸線。通俗的說，就是多個部件間的公共連線，用于在各個部件之間傳輸信息。人們常常以MHz表示的速度來描述總線頻率。
寬度等信息，后者是對NAND Flash進行具體操作時用到的信息。由于將驅動移植到UBoot的方法不是本文重點，故不作詳細介紹。
驗證方式：通過TFTP將數據下載到SDRAM中，利用nand read、nand write、nand erease三個命令對NAND Flash進行讀、編程、擦寫測試。測試結果如表2所列。和datasheet中數據對比，可以得出結論，驅動在系統中運行良好。
表2 測試結果
結語
現在嵌入式系統應用越來越廣泛，而存儲器件又是嵌入式系統必不可少的一部分，NAND Flash在不超過4 GB容量的需求下，較其他存儲器件優勢明顯。本文所設計的驅動并未基于任何操作系統，可以方便地移植到多種操作系統和Boot Loader下，對于簡化嵌入式系統開發有一定的實際意義。
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