51內(nèi)核單片機(jī)管理NAND FLASH的方法

引言

閃速存儲(chǔ)器（FlashMemory）是一種不揮發(fā)性Non-Volatile內(nèi)存，在沒有電流供應(yīng)的條件下也能夠長久地保持?jǐn)?shù)據(jù)，其存儲(chǔ)特性相當(dāng)于硬盤，同時(shí)其還具有低功耗、密度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，這些特性正使得閃存成為各類便攜型數(shù)字設(shè)備的存儲(chǔ)介質(zhì)的基礎(chǔ)，而超大容量的閃存芯片更是受到了廣大開發(fā)者的青睞。NOR和NAND是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術(shù)，NORFLASH帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個(gè)字節(jié)；NAND器件使用復(fù)雜的I/O口來串行地存取數(shù)據(jù)，各個(gè)產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同，8個(gè)引腳用來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。51內(nèi)核的單片機(jī)因受尋址能力的限制，在進(jìn)行大容量存儲(chǔ)應(yīng)用時(shí)，都會(huì)選擇NANDFLASH來作為存儲(chǔ)器件。

1K9F2G08UXAFlashMemory簡介

K9F2G08UXA是韓國三星公司生產(chǎn)的256MX8b，并帶有8MX8位后備區(qū)域的NAND（“與非”）閃速存儲(chǔ)器。NANDFLASH結(jié)構(gòu)具有快速重寫、高存儲(chǔ)容量、回寫速度快以及芯片面積小等特點(diǎn)，因此是高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度的理想解決方案。NANDFLASH型的單元排列是串行的，存儲(chǔ)單元被分成頁，由頁組成塊。根據(jù)不同容量，塊和頁的大小有所不同，而組成塊的頁的數(shù)量也會(huì)不同。應(yīng)用NAND的困難在于FLASH的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口。K9F2G08UXA就是具有這些特點(diǎn)的FLASHMemory，它的典型編程時(shí)間為200us/頁（2048B/頁），擦除時(shí)間為1.5ms/塊（64頁/塊=128KB/塊）。頁順序讀取時(shí)間最小為25ns，隨機(jī)讀取時(shí)間最小為25us；其地址復(fù)用8個(gè)I/O引腳，作為地址輸入、輸出口和命令輸入；片內(nèi)的寫控制器自動(dòng)完成編程/擦除功能,包括所需的脈沖循環(huán)重復(fù)、內(nèi)部校驗(yàn)及數(shù)據(jù)的加注。

2硬件原理

2.1K9F2G08UXA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

K9F2G08UXA是由131072行X2112歹U組成的2112Mb存儲(chǔ)器，其中64Mb位的后備區(qū)域的列地址范圍是2048?2111。2112B的數(shù)據(jù)寄存器連接著存儲(chǔ)器單元陣列，在頁讀和頁編程期間提供了I/O緩沖和內(nèi)存之間的傳送。存儲(chǔ)器陣列由以串行方式連接成NAND結(jié)構(gòu)的32個(gè)單元構(gòu)成，每塊中有1081344個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)。這些單元均駐留在不同的頁上。塊是由2個(gè)NAND結(jié)構(gòu)形成的64頁組成，共有2048個(gè)分立的可擦寫的128KB塊。

閃存芯片的主要命令操作有讀、編程和擦除，其中讀、編程操作以頁為基礎(chǔ)，擦除必須以塊為單位進(jìn)行，且不允許逐位擦除。FLASH操作大都需要2個(gè)總線周期，如塊擦除需要2個(gè)總線周期，一個(gè)周期是擦除建立，另一個(gè)周期是在塊地址裝入后執(zhí)行擦除命令。256MB的物理空間需要29位地址線,因此需要5個(gè)周期的字節(jié)尋址，其順序是：低位列地址、高位列地址、低位行地址、中位行地址、高位行地址。頁讀和頁編程在命令輸入后都跟著同樣的5個(gè)地址周期。由于擦除是以塊（1塊有64頁）為單位的，所以在塊擦除操作中僅需要3個(gè)行地址周期。以上的操作都是通過寫特殊的命令到命令寄存器中。特殊命令集定義如表l所列。

K9F2G08UXA芯片內(nèi)有1個(gè)狀態(tài)寄存器，命令70h就是讀這個(gè)狀態(tài)寄存器的。通過它可以查詢編程或擦除操作是否完成，以及查看這些操作完成的正確與否。在寫70h命令到命令寄存器中后，且在/CE或/RE的下降沿時(shí)，狀態(tài)寄存器的內(nèi)容就可以在1個(gè)讀周期內(nèi)輸出到I/O引腳上。讀狀態(tài)寄存器的定義如表2所列。

2.2K9F2G08UXA各引腳功能

K9F2G08UXA的各引腳功能如下：

I/O0~I/O7：用于輸入命令、地址和數(shù)據(jù)。在讀操作時(shí)輸出數(shù)據(jù)，當(dāng)未選中芯片或輸出禁止時(shí)浮空為高阻。

CLE:地址鎖存使能。為高時(shí)，命令在/WE的上升沿通過I/O口鎖存在命令寄存器中。

ALE:地址鎖存使能。當(dāng)為高時(shí)，地址在/WE的上升沿被鎖存在地址寄存器中。

/CE:芯片使能。在讀操作期間，/CE為高時(shí)芯片返回standby模式。但是當(dāng)在編程或擦除時(shí)處于忙狀態(tài)時(shí)，貝壞理睬/CE，芯片也不返回standby模式。

/RE:讀使能，低電平有效。有效時(shí)把數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)到I/O總線上，在/RE的下降沿后tREA處數(shù)據(jù)有效，并使內(nèi)部列地址計(jì)數(shù)器加1。

/WE:寫使能，低電平有效。命令、地址和數(shù)據(jù)均是在/WE上升沿鎖存。

/WP:寫保護(hù)，低電平有效。在上電時(shí),它提供寫擦除保護(hù),有效時(shí)，內(nèi)部高電壓產(chǎn)生器被復(fù)位。

R/B:準(zhǔn)備好/忙輸出，反映芯片的操作狀態(tài)。為低時(shí),表示正在進(jìn)行編程、擦除或隨機(jī)讀操作，完成后返回高狀態(tài)。若是開漏輸出，當(dāng)未選中芯片或輸出禁止時(shí)不浮空為高阻態(tài)。2.3K9F2G08UXA與單片機(jī)的接口電路

由于K9F2GO8UXA的I/O引腳為8位，因此可以很方便地選取51系列8位單片機(jī)。因51系列8位單片機(jī)的工作電壓為5V，圖1中用VCC表示，K9F2GO8UXA閃存芯片的工作電壓為3.3V，所以單片機(jī)與閃存間不能直接相連，中間必須增加電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行隔離，如圖1中74LVC4245。將K9F2GO8UXA的8位I/O引腳通過電平轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線端口D0~D8位相連。K9F2GO8UXA的讀使能(/RE)、寫使能(/WE)則分別通過電平轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)的P3.6(/RD)和P3.5(/WE)相連，其他控制信號如CLE、/CE、R/B等則通過電平轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)的P1口相連，并通過軟件編程來完成對這些信號的控制。閃速存儲(chǔ)芯片與單片機(jī)的連接電路如圖1所示。

3軟件編程

3.1讀操作

閃速存儲(chǔ)器上電后就處于讀存儲(chǔ)單元狀態(tài),K9F2GO8UXA芯片默認(rèn)為讀模式，也可以直接寫00H到命令寄存器中完成該存儲(chǔ)單元操作。讀操作有3種類型：隨機(jī)讀、串行頁讀和連續(xù)行讀。當(dāng)改變頁地址時(shí)，使能隨機(jī)讀模式。被選中的頁在10us內(nèi)就傳送到數(shù)據(jù)寄存器中，系統(tǒng)控制器可以通過R/B引腳監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送的完成與否。一旦頁中的數(shù)據(jù)被裝入到寄存器中，數(shù)據(jù)就可以在60ns的周期內(nèi)，在連續(xù)的/RE脈沖讀出。讀操作流程如圖2所示。

3.2頁編程

編程操作以頁為單位，但它允許在1個(gè)頁編程周期內(nèi)進(jìn)行1個(gè)字節(jié)或連續(xù)的直到2112字節(jié)的多分頁編程。在沒有阻礙擦除操作的同一頁內(nèi)，連續(xù)分頁編程操作的個(gè)數(shù)主陣列不能超過2個(gè)，后備陣列不能超過3個(gè)。數(shù)據(jù)裝入階段開始于數(shù)據(jù)輸入命令(80h)，接著是4個(gè)周期的地址輸入和數(shù)據(jù)裝入,非編程字節(jié)不需要裝入。一旦編程操作開始，且/RE和/WE為低時(shí)，就可以讀狀態(tài)寄存器中的狀態(tài)位(I/O6)。系統(tǒng)控制器也可以通過R/B引腳輸出來監(jiān)測編程操作周期的完成與否。在編程過程中只有讀狀態(tài)命令和復(fù)位命令有效。頁編程操作完成后，可以查看狀態(tài)位(I/O0),為“0”表明編程成功；為“1”則編程出錯(cuò)。頁編程流程如圖3所示。

3.3塊擦除

任何FLASH器件的寫入操作都只能在空的或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行。所以大多數(shù)情況下，當(dāng)新數(shù)據(jù)寫入一個(gè)扇區(qū)時(shí),FLASH都必須進(jìn)行擦除。擦除操作以塊為單位，流程如下:首先啟動(dòng)塊擦除建立命令(60h)；接著裝入需要3個(gè)周期完成的塊地址，其中只有A18-A28地址有效，而忽略A0~A17地址；最后是擦除確認(rèn)命令(D0h)，至此完成內(nèi)部擦除過程。在輸入擦除確認(rèn)命令后的/WE的上升沿，內(nèi)部寫控制器進(jìn)行擦除操作和擦除校驗(yàn)。當(dāng)擦除操作完成后可以校驗(yàn)寫狀態(tài)位(1/00)。

3.4程序?qū)嵗?

下面的程序是用KeilC51編寫的讀操作程序。其他操作如塊擦除、頁編程均可參照文中介紹的流程圖進(jìn)行編程。但應(yīng)注意根據(jù)閃速存儲(chǔ)的時(shí)間參數(shù)來調(diào)整這些操作的時(shí)間。

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#defineFLASH_BLOCK_ERASE_1ST0x60

#defineFLASH_BLOCK_ERASE_2ND0xD0

unsignedcharbdataoutregister_2；

sbitflash_ale

sbitflash_wp

voidflash_read_commond(void)；//FLASH進(jìn)入讀模

式(輸入指令)

voidflash_read_address(void)；//FLASH進(jìn)入讀模式

(輸入地址)

voidflash_write_commond(void)；//FLASH進(jìn)入寫模式

(輸入指令)

voidflash_write_address(void)；//FLASH進(jìn)入寫模式

(輸入地址)

voidflash_data_in(void)；//FLASH進(jìn)入數(shù)據(jù)輸入模式

voidflash_data_out(void)；//FLASH進(jìn)入數(shù)據(jù)輸出模式voidflash_inefficacy(void)；//FLASH進(jìn)入寫保護(hù)狀態(tài)voidflash_write_data_in(unsignedchardata_in)；//向FLASH中寫入數(shù)據(jù)

unsignedcharflash_read_data_out(void)；//從

FLASH中讀出數(shù)據(jù)

voidflash_setup_address_5cycle(void)；//設(shè)置5

周期地址

voidflash_setup_block_address_3cycle(void)；//設(shè)置

3周期地址(塊地址)

voidflash_block_erase_handle(unsignedinttemp_int)；//塊擦除操作

//FLASH塊擦除子函數(shù)

//入口參數(shù)：unsignedinttemp_int塊地址

voidflash_block_erase_handle(unsignedinttemp_int){flash_page_address=0；flash_block_address=temp_int；//要擦除塊的地址flash_write_commond()；〃FLASH進(jìn)入

寫模式(輸入指令)

flash_write_data_in(FLASH_BLOCK_ERASE_1ST)；//輸入0x60h

flash_write_address()；//FLASH進(jìn)入寫

模式(輸入地址)

flash_setup_block_address_3cycle()；//輸入要

擦除塊的地址

flash_write_commond()；〃FLASH進(jìn)入

寫模式(輸入指令)

lash_write_data_in(FLASH_BLOCK_

ERASE_2ND)；

//輸入0xD0h

while(!RBOUT)；

//等待擦除完成

flash_inefficacy()；

//FLASH進(jìn)入寫保護(hù)狀態(tài)

}

4結(jié)語

本文介紹一種51內(nèi)核管理NANDFLASH的方法，并給出基于該方法硬件實(shí)現(xiàn)和C語言源代碼，該硬件電路和軟件代碼已經(jīng)在筆者參與研制的總線式消防電話系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對語音信息的長時(shí)間存儲(chǔ)功能，工作穩(wěn)定、可靠。

20211118_619633f451b34__51內(nèi)核單片機(jī)管理NANDFLASH的方法