Nand Flash数据存储规则与数据读写方法一二三

我会带着你远行 2022-07-14 15:54 213阅读 0赞

## 转载自http://www.8xif.com/doc/nand-flash-data-storage-and-data-read-and-write-the-rules-of-method-c.html    ##

## [Nand Flash数据存储规则与数据读写方法(一)][Nand Flash] ##

谈到Nand Flash的数据存储方式，关于NAND Flash的数据读写方法方面的文章不多，这篇文章详细讲述了Nand Flash数据存储方式和数据读写方法，并用具体的芯片为例作了详细的解释。  
       [Nand Flash数据存储规则与数据读写方法(一) ][Nand Flash_]  
       [Nand Flash数据存储规则与数据读写方法(二)  
][Nand Flash_ 1]        [Nand Flash数据存储规则与数据读写方法(三) ][Nand Flash_ 2]

NAND Flash 的数据是**以bit 的方式保存在memory cell** ，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bit line，形成所谓的byte(x8)/word(x16)，这就是NAND Device 的位宽。这些Line 会再组成Page，( Nand Flash 有多种结构，我使用的Nand Flash 是K9F1208,下面内容针对三星的K9F1208U0M)，每页528Byte，每32 个page 形成一个Block ， Sizeof(block)=16kByte 。1 block=16kbyte，512Mbit=64Mbyte，Numberof(block)=4096 1block=32page, 1page=528byte=512byte(Main Area)+16byte(Spare Area)  
**N** **and flash 以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据** 。按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址：

--Block Address

-- Page Address

--Column Address 。

对于NAND Flash 来讲，地址和命令只能在I/O\[7:0\]上传递，数据宽度是8 位。

512byte需要9bit来表示，对于528byte系列的NAND，这512byte被分成1st half和2nd half,各自的访问由地址指针命令来选择，A\[7:0\]就是所谓的column address。32 个page 需要5bit 来表示，占用A\[13:9\]，即该page 在块内的相对地址。Block的地址是由A14 以上的bit 来表示，例如512Mb 的NAND，共4096block，因此，需要12 个bit 来表示，即A\[25:14\]，如果是1Gbit 的528byte/page的NAND Flash，则block address用A\[26:24\]表示。而page address就是blcok address|page address in block NAND Flash 的地址表示为： Block Address|Page Address in block|halfpage pointer|Column Address 地址传送顺序是Column Address,Page Address,Block Address。 由于地址只能在I/O\[7:0\]上传递，因此，必须采用移位的方式进行。 例如，对于512Mbit x8 的NAND flash，地址范围是0~0x3FF\_FFFF，只要是这个范围内的数值表示的地址都是有效的。  
以NAND\_ADDR 为例：  
第1 步是传递column address，就是NAND\_ADDR\[7:0\]，不需移位即可传递到I/O\[7:0\]上，而halfpage pointer 即bit8 是由操作指令决定的，即指令决定在哪个halfpage 上进行读写。而真正的bit8 的值是don't care 的。  
第2 步就是将NAND\_ADDR 右移9 位，将NAND\_ADDR\[16:9\]传到I/O\[7:0\]上  
第3 步将NAND\_ADDR\[24:17\]放到I/O 上  
第4 步需要将NAND\_ADDR\[25\]放到I/O 上 因此，整个地址传递过程需要4 步才能完成，即4-step addressing。  
       如果NAND Flash 的容量是256Mbit 以下，那么，block adress 最高位只到bit24，因此寻址 只需要3 步。 下面，就x16 的NAND flash 器件稍微进行一下说明。 由于一个page 的main area 的容量为256word，仍相当于512byte。但是，这个时候没有所谓 的1st halfpage 和2nd halfpage 之分了，所以，bit8就变得没有意义了，也就是这个时候 bit8 完全不用管，地址传递仍然和x8 器件相同。除了，这一点之外，x16 的NAND使用方法和 x8 的使用方法完全相同。

正如硬盘的盘片被分为磁道，每个磁道又分为若干扇区，**一块nand flash也分为若干block，每个block分为如干page。** 一般而言，block、page之间的关系随着芯片的不同而不同，典型的分配是这样的：  
[![flashdatarecoveryn001][] ][flashdatarecoveryn001]   
1block = 32page  
1page = 512bytes(datafield) + 16bytes(oob)

需要注意的是，对于flash的读写都是以一个page开始的，但是在读写之前必须进行flash的擦写，而擦写则是以一个block为单位的。同时必须提醒的是，512bytes理论上被分为1st half 和2sd half，每个half各占256个字节。

我们讨论的K9F1208U0B总共有4096 个Blocks，故我们可以知道这块flash的容量为4096 \*(32 \*528)= 69206016 Bytes = 66 MB ；但事实上每个Page上的最后16Bytes是用于存贮检验码和其他信息用的，并不能存放实际的数据，所以实际上我们可以操作的芯片容量为4096 \*(32 \*512) = 67108864 Bytes = 64 MB由 上图所示，1个Page总共由528 Bytes组成，这528个字节按顺序由上而下以列为单位进行排列（1列代表一个Byte。第0行为第0 Byte ，第1行为第1 Byte，以此类推，每个行又由8个位组成，每个位表示1个Byte里面的1bit）。这528Bytes按功能分为两大部分，分别是Data Field和Spare Field，其中Spare Field占528Bytes里的16Bytes,这16Bytes是用于在读写操作的时候存放校验码用的，一般不用做普通数据的存储区，除去这 16Bytes,剩下的512Bytes便是我们用于存放数据用的Data Field，所以一个Page上虽然有528个Bytes，但我们只按512Bytes进行容量的计算。

## [Nand Flash数据存储规则与数据读写方法(二)][Nand Flash 1] ##

读命令有两个，分别是 Read1,Read2其中Read1用于读取Data Field的数据，而Read2则是用于读取Spare Field的数据。对于Nand Flash来说，读操作的最小操作单位为Page ，也就是说当我们给定了读取的起始位置后，读操作将从该位置开始，连续读取到本Page的最后一个 Byte为止（可以包括Spare Field）。

**Nand Flash的寻址**  
   
    Nand Flash的地址寄存器把一个完整的Nand Flash地址分解成Column Address与Page Address.进行寻址。  
   
    Column Address: 列地址。Column Address其实就是指定Page上的某个Byte，指定这个Byte其实也就是指定此页的读写起始地址。  
    Paage Address：页地址。由于页地址总是以512Bytes对齐的，所以它的低9位总是0。确定读写操作是在Flash上的哪个页进行的。  
    **Read1命令**  
    当我们得到一个Nand Flash地址src\_addr时我们可以这样分解出Column Address和Page Address ：  
    column\_addr=src\_addr%512; // column address  
    page\_address=(src\_addr>>9); // page address  
    也可以这么认为，一个Nand Flash地址的A0~A7是它的column\_addr，A9~A25是它的Page Address。(注意地址位A8并没有出现，也就是A8被忽略，在下面你将了解到这是什么原因)  
    Read1 命令的操作分为4个Cycle，发送完读命令00h或01h（00h与01h的区别请见下文描述）之后将分4个Cycle发送参数，1st.Cycle是 发送Column Address。2nd.Cycle ,3rd.Cycle和4th.Cycle则是指定Page Address（每次向地址寄存器发送的数据只能是8位，所以17位的Page Address必须分成3次进行发送 。  
    Read1的命令里面出现了两个命令选项，分别是00h和01h。这里出现了两个读命是否令你意识到什么呢？是的，00h是用于读写1st half的命令，而01h是用于读取2nd half的命令。现在我可以结合上图给你说明为什么K9F1208U0B的DataField被分为2个half了。

如上文我所提及的，Read1的1st.Cycle是发送Column Address，假设我现在指定的Column Address是0，那么读操作将从此页的第0号Byte开始一直读取到此页的最后一个Byte(包括Spare Field)，如果我指定的Column Address是127，情况也与前面一样，但不知道你发现没有，用于传递Column Address的数据线有8条（I/O0~I/O7，对应A0~A7，这也是A8为什么不出现在我们传递的地址位中），也就是说我们能够指定的 Column Address范围为0~255，但不要忘了，1个Page的DataField是由512个Byte组成的，假设现在我要指定读命令从第256个字节处 开始读取此页，那将会发生什么情景？我必须把Column Address设置为256，但Column Address最大只能是255，这就造成数据溢出。。。正是因为这个原因我们才把Data Field分为两个半区，当要读取的起始地址（Column Address）在0~255内时我们用00h命令，当读取的起始地址是在256~511时，则使用01h命令.假设现在我要指定从第256个byte开 始读取此页，那么我将这样发送命令串 ：  
column\_addr=256;  
NF\_CMD=0x01;  从2nd half开始读取  
NF\_ADDR=column\_addr&0xff; 1st Cycle  
NF\_ADDR=page\_address&0xff; 2nd.Cycle  
NF\_ADDR=(page\_address>>8)&0xff; 3rd.Cycle  
NF\_ADDR=(page\_address>>16)&0xff; 4th.Cycle  
    其中NF\_CMD和NF\_ADDR分别是NandFlash的命令寄存器和地址寄存器的地址解引用，我一般这样定义它们：  
\#define rNFCMD (\*(volatile unsigned char \*)0x4e000004) //NADD Flash command  
\#define rNFADDR (\*(volatile unsigned char \*)0x4e000008) //NAND Flash address

事实上，当NF\_CMD=0x01时，地址寄存器中的第8位（A8）将被设置为1（如上文分析，A8位不在我们传递的地址中，这个位其实就是硬件电路根据 01h或是00h这两个命令来置高位或是置低位），这样我们传递column\_addr的值256随然由于数据溢出变为1，但A8位已经由于NF\_CMD =0x01的关系被置为1了，所以我们传到地址寄存器里的值变成了 ：

A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8  
1 0 0 0 0 0 0 0 1

这8个位所表示的正好是256，这样读操作将从此页的第256号byte（2nd half的第0号byte）开始读取数据。 nand\_flash.c中包含3个函数 ：  
void nf\_reset(void);  
void nf\_init(void);  
void nf\_read(unsigned int src\_addr,unsigned char \*desc\_addr,int size);  
    nf\_reset()将被nf\_init()调用。

nf\_init()是nand\_flash的初始化函数，在对nand flash进行任何操作之前，nf\_init()必须被调用。

nf\_read(unsigned int src\_addr,unsigned char \*desc\_addr,int size);为读函数，src\_addr是nand flash上的地址，desc\_addr是内存地址，size是读取文件的长度。  
   
    在nf\_reset和nf\_read函数中存在两个宏：  
NF\_nFCE\_L();  
NF\_nFCE\_H();  
    你可以看到当每次对Nand Flash进行操作之前NF\_nFCE\_L()必定被调用，操作结束之时NF\_nFCE\_H()必定被调用。这两个宏用于启动和关闭Flash芯片的工作（片选/取消片选） 。至于nf\_reset()中的：  
   
rNFCONF=(1<<15)|(1<<14)|(1<<13)|(1<<12)|(1<<11)|(TACLS<<8)|(TWRPH0<<4)|(TWRPH1<<0);  
    这一行代码是对NandFlash的控制寄存器进行初始化配置,rNFCONF是Nand Flash的配置寄存器，各个位的具体功能请参阅s3c2410数据手册。  
   
    现在举一个例子，假设我要从Nand Flash中的第5000字节处开始读取1024个字节到内存的0x30000000处，我们这样调用read函数 ：  
nf\_read(5000, 0x30000000,1024);  
    我们来分析5000这个src\_addr.：

根据  
column\_addr=src\_addr%512;  
page\_address=(src\_addr>>9);  
    我们可得出：

column\_addr=5000%512=392  
page\_address=(5000>>9)=9  
    于是我们可以知道5000这个地址是在第9页的第392个字节处，于是我们的nf\_read函数将这样发送命令和参数 ：  
column\_addr=5000%512;  
>page\_address=(5000>>9);  
NF\_CMD=0x01; 从2nd half开始读取  
NF\_ADDR= column\_addr &0xff; 1st Cycle  
NF\_ADDR=page\_address&0xff; 2nd.Cycle  
NF\_ADDR=(page\_address>>8)&0xff; 3rd.Cycle  
NF\_ADDR=(page\_address>>16)&0xff; 4th.Cycle  
   向NandFlash的命令寄存器和地址寄存器发送完以上命令和参数之后,我们就可以从rNFDATA寄存器(NandFlash数据寄存器)读取数据了. 。  
   
我用下面的代码进行数据的读取. ：  
for(i=column\_addr;i<512;i++)  
\{  
\*buf++=NF\_RDDATA();  
\}  
    每当读取完一个Page之后,数据指针会落在下一个Page的0号Column(0号Byte).

## [Nand Flash数据存储规则与数据读写方法(三)][Nand Flash 2] ##

下面是源代码：  
/\*   
本代码只属于交流学习，不得用于商业开发  
\*/  
\#include "s3c2410.h"  
\#include "nand\_flash.h"  
static unsigned char seBuf\[16\]=\{0xff\};  
//--------------------------------------------------------------------------------------  
unsigned short nf\_checkId(void)  
\{  
int i;  
unsigned short id;  
NF\_nFCE\_L(); //chip enable

NF\_CMD(0x90); //Read ID  
NF\_ADDR(0x0);  
for(i=0;i<10;i++); //wait tWB(100ns)

id=NF\_RDDATA()<<8; // Maker code(K9S1208V:0xec)  
id|=NF\_RDDATA(); // Devide code(K9S1208V:0x76)

NF\_nFCE\_H(); //chip enable  
return id;  
\}  
//--------------------------------------------------------------------------------------  
static void nf\_reset(void)  
\{  
int i;  
NF\_nFCE\_L(); //chip enable  
NF\_CMD(0xFF); //reset command  
for(i=0;i<10;i++); //tWB = 100ns.  
NF\_WAITRB(); //wait 200~500us;  
NF\_nFCE\_H(); //chip disable  
\}  
//--------------------------------------------------------------------------------------  
void nf\_init(void)  
\{  
rNFCONF=(1<<15)|(1<<14)|(1<<13)|(1<<12)|(1<<11)|(TACLS<<8)|(TWRPH0<<4)|(TWRPH1<<0);  
// 1 1 1 1 1 xxx r xxx, r xxx  
// En r r ECCR nFCE=H tACLS tWRPH0 tWRPH1  
nf\_reset();  
\}  
//--------------------------------------------------------------------------------------

void nf\_read(unsigned int src\_addr,unsigned char \*desc\_addr,int size)  
\{  
int i;  
unsigned int column\_addr = src\_addr % 512; // column address  
unsigned int page\_address = (src\_addr >> 9); // page addrress  
unsigned char \*buf = desc\_addr;  
while((unsigned int)buf < (unsigned int)(desc\_addr) + size)  
\{  
NF\_nFCE\_L(); // enable chip

/\*NF\_ADDR和NF\_CMD为nand\_flash的地址和命令寄存器的解引用\*/  
if(column\_addr > 255) // 2end halft  
NF\_CMD(0x01); // Read2 command. cmd 0x01: Read command(start from 2end half page)  
else  
NF\_CMD(0x00); // 1st halft?

NF\_ADDR(column\_addr & 0xff); // Column Address  
NF\_ADDR(page\_address & 0xff); // Page Address  
NF\_ADDR((page\_address >> ![8)][8] & 0xff); // ...  
NF\_ADDR((page\_address >> 16) & 0xff); // ..  
for(i = 0; i < 10; i++); // wait tWB(100ns)/??????  
NF\_WAITRB(); // Wait tR(max 12us)

// Read from main area  
for(i = column\_addr; i < 512; i++)  
\{  
\*buf++= NF\_RDDATA();  
\}  
NF\_nFCE\_H(); // disable chip  
column\_addr = 0;  
page\_address++;  
\}  
return ;  
\}

[Nand Flash]: http://www.8xif.com/doc/nand-flash-data-storage-and-data-read-and-write-the-rules-of-method-a.html#post-1996
[Nand Flash_]: http://www.8xif.com/doc/nand-flash-data-storage-and-data-read-and-write-the-rules-of-method-a.html
[Nand Flash_ 1]: http://www.8xif.com/doc/nand-flash-data-storage-and-data-read-and-write-the-rules-of-method-b.html
[Nand Flash_ 2]: http://www.8xif.com/doc/nand-flash-data-storage-and-data-read-and-write-the-rules-of-method-c.html
[flashdatarecoveryn001]: /images/20220709/b5694210d55c4c948b70ce1341d27341.png
[Nand Flash 1]: http://www.8xif.com/doc/nand-flash-data-storage-and-data-read-and-write-the-rules-of-method-b.html#post-2000
[Nand Flash 2]: http://www.8xif.com/doc/nand-flash-data-storage-and-data-read-and-write-the-rules-of-method-c.html#post-2002
[8]: /images/20220709/d4c201d48d674ef5ac130dd117453006.png