第十五章 NandFlash
1、NandFlash接口
九鼎开发板的NAND接口，虽然目前开发板没有NAND，但是硬件设计有留着接口，需要使用NAND，只需要焊上去就行了。
NAND的命名：如K9F2G08
K9F：三星的NANDFLASH。
2G： NAND的大小，2Gbit，除以8，也就是568MB
08： 表示NAND的数据位宽是8位
从NAND命名，可以看出： 厂家，大小，数据位宽
NAND的数据线
◾数据是并行接口
◾数据上也会传递命令
2、NANDFLASH的功能框图
以下是NandFlash内部框图。
1) Nand芯片中主要包含2部分：Nand存储颗粒+Nand接口电路。存储颗粒就是纯粹的Nand芯片的存储单元；Nand接口电路时用来管理存储颗粒的，并且给外界提供一个统一的Nand接口规格的访问接口。
2) Nand中有多个存储单元，每个单元都有自己的地址（地址是精确到字节的，但是不能按照字节访问）。因此Nand是地址编排精确到自己，但是实际读写却只能精确到页（所以Nand的很多操作要求地址页对齐，如2K，4K等这样的地址）。
3) Nand的读写时序传递是通过IO先发送的，因为地址有30位而IO只有8位，所以需要多个cycle才能发送完毕。一般的Nand都是4cycle或者5cycle发送地址（所以这里把Nand分为了4cycle和5cycle）。
3、NANDFLASH的组织结构
3.1、NandFlash的内部组织结构
下图是NandFlash的内部组织结构：
1) NAND的结构可以看成是一个矩阵式存储器，其中被分成一个一个的小块，每一个小块可以存储一个bit，然后彼此以一定单位组合成NAND。
2) NAND中可以被单次访问最小单元（对NAND进行一次读写，至少要读写这么多，或者是这么多的整数倍）叫做page。如K9F2G08，page的大小是2KB+64B。也就是对这么芯片进行读写，至少要读写2KB或者2KB*n，即使只需要读一个字节。这就是典型的块设备。
3) 页往上还有Block（块），1个块有若干个页。如K9F2G08，一个块等于64个页。
4) 块上面就是整个芯片了，也就是Device，一个Device有若干个块。如K9F2G08，一个Device有2048个块。所以该芯片大小为2048642KB = 256MB
5) 块设备分page、block。由于物理限制，对于块设备不能完全按字节访问而必须块访问。在NAND中，page是读写Nand的最小单位，Block是擦除Nand的最小单位。
总结：
Nand芯片内部有存储空间，并且有电路来管理这些存储空间，向外部提供统一的Nand接口的访问规则，然后外部的Soc可以使用Nand接口时序来读写这个Nand存储芯片。Nand接口是一种公用标准，是一种标准。
理论上外部soc可以直接模拟Nand接口来读写Nand芯片，但是实际上因为Nand接口对时序要求比较严格，而且时序很复杂，所以一般的Soc都是通过专门的硬件的Nand控制器来操作Nand芯片。
3.2、NandFlash的结构
3.2.1、Nand的单元组织：block和page（大页Nand和小页Nand）
Nand的页和之前的块设备的扇区是类似的。不过扇区最早在磁盘中是512字节，后来也有些高级硬盘扇区不是512字节，而是其他字节。Nand也是一样，不同的Nand的页的大小是不同的，也有512字节/1024字节/2048字节/4096字节等。
一个块是多少页也是不定的。不同的Nand也不同。一个Nand芯片有多少个block也是不定的。不同的Nand芯片也不同。
因此Nand的组织结构不统一，接口时序也不同。造成不同厂家的Nand芯片，或者是同一个厂家的不同系列型号容量的Nand接口也不一样。所以Nand的很大问题是一旦升级容量或者换芯片系列，硬件需要更改，软件需要重新移植。
3.2.2、页的带内数据和带外数据
Nand的每个页由2部分组成，这2部分各自都有一定的存储空间。如K9F2G08中为2K+64字节，其中的2K字节属于带内数据，是我们真正的存储空间，将来存储在Nand中的有效数据就是存在这2K范围内的（计算Nand的容量也只是考虑着2KB）。64字节的带外数据不能用来存储有效数据，是作为别的附加用途的（如用来存储ECC数据、用来存储坏块标志等）。
ECC（error correction code,错误校验码）。因为Nand存储本身出错（位反转）的概率高（Nand较Nor最大的缺点就是稳定性），所以当将有效信息存储到Nand中时都会按照一定算法计算一个ECC信息（如CRC16等校验算法），将ECC信息同时存储到Nand这个页的带外数据区。将来读取数据时，对数据使用同样的算法再计算一次ECC，并且和带外数据区读出来的ECC进行校验。如果校验通过则证明Nand的有效数据可信，如果校验不通过则证明这个数据已经被损坏（只能丢弃或者尝试修复）
坏块标志：Nand芯片用一段时间后，可能某些块会坏掉（这些块无法擦除了，或者无法读写），Nand的坏块非常类似于硬盘的坏道。坏块是不可避免的，而且随着Nand的使用坏块会越来越多。当坏块还不算太多时，Nand是还可以使用的。除非坏块太多，才会更新Nand。所以为了管理Nand发明了一种坏块标志机制。Nand的每个页的64字节的带外数据中，定义一个固定位置（如定位到24字节，这个是由文件系统来管理的）来标记这个块是是否为坏块。文件系统在发现这个块坏了就会将这个块标记为坏块，以后访问Nand时直接跳过这个块即可。
3.2.3、Nand的地址时序
Nand的地址有多位，分4\5周期通过IO管脚发送给Nand芯片，来对Nand进行寻址。寻址的最小单位是字节，但是读写的最小单位是页。
Nand的地址在编写程序时，要按照Nand的时序和顺序去依次写入。
3.2.4、Nand的命令码
外部Soc要想通过Nand控制器来访问Nand（实质就是通过Nand接口），就必须按照Nand接口给Nand发送命令、地址、数据等信息来读写Nand。
Nand芯片内部的管理电路本身可以接收外部发送的命令，然后根据这些命令来读写Nand内容与外部soc交互。所以对Nand进行的所有操作（擦除，读，写…）都要有命令、地址、数据的参与才能完成，而且必须按照Nand芯片规定的流程来做。
以上是Nand的命令码。不同的命令发送不同的内容。
4、NandFlash的常见操作及流程分析
4.1、坏块检查
Flash使用之前要先统一擦除（擦除的单位就是块）。擦除后，数据为0XFF(8位)，0XFFFF（16位），也就是擦除后，数据全为1。
检查坏块思路：先把块擦除，然后将块中的所有数据读出来，一次检测各字节是否为0xff，如果是则表明不是坏块，如果不是则表明是坏块。
4.2、页写（program）操作
写之前确保这个页是被擦除过的。如果未被擦除，写进去的值不正确。
写操作在flash的操作中就是编程（program）。
SOC写Flash时通过命令线、IO线依次发送写命令、写页地址、写数据。
写的过程：soc通过Nand控制器和Nand芯片完成顺序对接，然后按照时序要求将一页数据发给Nand芯片内部的接口电路。接口电路先接收数据到自己的缓冲区，然后再集中写入Nand芯片的存储区域中。Nand接口电路将一页数据从缓冲区写入Nand存储系统中需要一定的时间，这段时间Nand芯片不能再响应soc发过来的其他命令，所以soc要等待Nand接口电路处理结束。等待方法是soc不断读取状态寄存器（这个状态寄存器有两种情况：一种是soc的Nand控制器自带的，另一种是soc通过发命令得到命令响应得到的），然后通过检查这个状态寄存器的状态位就能知道Nand接口电路刚才写的那一页数据是否写成功。直到soc收到正确的状态寄存器响应才能认为刚才写的那一页数据已经成功。（如果soc收到的状态一直不对，可以考虑重写或者认为这一页所在的块是坏块）。
因为Nand的读写有不靠谱情况，因此会为了安全会做ECC校验。ECC校验有硬件式校验和软件式检验两种。软件式检验可以采用的策略有很多，其中之一：将刚才写入的1页数据读出来，和写入的数据进行逐一对比。如果读出的和写入的完全一样，说明写入成功。
硬件式ECC：soc的Nand控制器可以提供硬件式ECC（目前普遍的情况）
通过会在数据写入后，再进行校验。将之前写的数据再读出来，判断是否成功。硬件式ECC就是在Nand的控制器中有个硬件模块专门做ECC操作。当操作Nand芯片时，只要按照Soc的要求打开ECC生成开关，则当写入Nand芯片时soc的Nand控制器的ECC模块会自动生成ECC数据，放在相应的寄存器。对于编程只需要将生成的ECC数据写入Nand芯片的带外数据区。在将来读取数据时，同样打开硬件ECC开关，然后开始读取数据，读的过程当中，硬件ECC会自动计算读进来的一页数据的ECC值并将之放到相应的寄存器中。然后再读取带外数据区中原来写入时存入的ECC值，和刚才得到的ECC值进行校验。检验通过则说明读写正确。校验不通过则说明不正确（放弃数据或者尝试修复）。
左边部分是将数据写入到Nand中，右边的部分是在效验，将刚刚写进去的数据读出来，和之前写的数据进行比较，然后写的数据是否成功，不成功的话，说明可能有坏块，就需要更换一个块进行重新写入数据。
如果使用ECC的话，就不需要这样检验了。
4.3、擦除（erase）操作
擦除是以块为单位。即擦除时必须给块对齐的地址。如果给了不对齐的地址，结果不可知（有些Nand会自动将其对齐，而有些Nand会返回错误）
4.4、页读（read）操作
5、s5pv210的Nand代码解读
将寄存器进行定义：
5.1、NFCONF
Nand控制器的参数（时序，页大小，地址周期）设置。
5.2、NFCONT
Nand控制器的控制寄存器。控制Nand的操作。如使能/禁止片选，ECC校验，中断使能/禁止等。
5.3、NFCMMD
Nand命令寄存器，需要发送的命令写入到这个寄存器，Nand控制器会自动按照时序发送该命令。
5.4、NFADDR
Nand地址寄存器，需要发送的地址写入到这个寄存器，Nand控制器会自动按照时序发送该地址
5.5、NFDATA和NFDATA8
这里两个寄存器的地址都是一样的，只是类型不一样。需要读取数据，直接读取该寄存器，对于NFDATA，一次性读取8位，对于NFDATA8，一次性读取32位。需要写入数据时，将数据写入到该寄存器中，对于NFDATA，一次性写8位，对于NFDATA8，一次性写32位。置于读取和写入数据的时序，Nand控制器会自动产生。
5.6、NFSTAT
Nand状态寄存器。里面有对Nand状态进行记录。主要是使用第4位RnB_TransDetect ，能判断Nand操作是否结束。
5.7、MP0_1CON，MP0_2CON，MP0_3CON
和Nand有关的管脚的功能设置寄存器。在GPIO说明中，有说与NF有关的GPIO有MP0_1，MP0_2，MP0_3。所以当要使用Nand控制器，需要将这些管脚设置为Nand的功能。
定义Nand的一些信息。最大块为8192，页大小是2KB，块大小64页。
Nand控制器需要的三个时序参数的值。这三个时序参数是很重要的，要根据具体使用的NAND的芯片进行设置。
Nand操作过程中的命令。
5.8、NandFlash操作基本函数
定义操作Nand的基本函数。
而这个nand_init函数，修改，只需要设置CONF寄存器，以及端口配置，即可。具体函数就不用再说明了，移植的时候，只需要修改Nand_init函数即可。其他基本上不用修改。
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原文首发于骏的世界博客
作者：卢骏.
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