NAND Flash內存設備的讀寫控制設計

引言
 
　　NOR Flash和NAND Flash是現在市場上兩種主要的非易失閃存技術。Flash因為具有非易失性及可擦除性，在數碼相機、手機、個人數字助理( PDA)、掌上電腦、MP3播放器等手持設備中得到廣泛的應用。NAND Flash相對于NOR Flash具有更小的體積、更快的寫入速度、更多次的可擦除次數以及更低廉的價格而得到了迅速發(fā)展。大容量的NAND Flash特別適合現在數碼設備中大數據量的存儲攜帶,可以降低成本,提高性能[1]。

1　系統(tǒng)設計

1.1　NAND Flash和NOR Flash的區(qū)別

1.1.1　接口差別

　　NOR Flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以直接和CPU相連，CPU可以直接通過地址總線對NOR Flash進行訪問,可以很容易地存取其內部的每一個字節(jié)。

　　NAND Flash器件使用復雜的I/O口來串行地存取數據，只能通過I/O接口發(fā)送命令和地址，對NAND Flash內部數據進行訪問。各個產品或廠商的方法可能各不相同。8個引腳用來傳送控制、地址和數據信息。NAND Flash讀/寫操作采用512或2 048字節(jié)的頁。

　　NOR Flash是并行訪問，NAND Flash是串行訪問，所以相對來說，前者的速度更快些。

1.1.2　容量和成本

　　NOR Flash的成本相對高，容量相對小，常見的有128 KB、256 KB、1 MB、2 MB等；優(yōu)點是讀寫數據時，不容易出錯。所以在應用領域方面，NOR Flash比較適合應用于存儲少量的代碼。 

　　NAND Flash的單元尺寸幾乎是NOR Flash器件的一半，由于生產過程更為簡單，也就相應地降低了價格。容量比較大，由于價格便宜，更適合存儲大量的數據。

1.1.3　可靠性和耐用性

　　采用Flash介質時一個需要重點考慮的問題是可靠性。對于需要擴展MTBF的系統(tǒng)來說，Flash是非常合適的存儲方案?？梢詮膲勖?耐用性)、位交換和壞塊處理三個方面來比較NOR Flash和NAND Flash的可靠性。壽命(耐用性)在NAND Flash閃存中每個塊的最大擦寫次數是一百萬次，而NOR Flash的擦寫次數是十萬次。NAND Flash除了具有10∶1的塊擦除周期優(yōu)勢，典型的NAND Flash塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個NAND Flash塊在給定的時間內的刪除次數要少一些。

1.1.4　位反轉

　　NAND Flash和NOR Flash都可能發(fā)生比特位反轉（但NAND Flash反轉的幾率遠大于NOR Flash），因此這兩者都必須進行ECC操作；NAND Flash可能會有壞塊（出廠時廠家會對壞塊做標記），在使用過程中也還有可能會出現新的壞塊，因此NAND Flash驅動必須對壞塊進行管理。

　　位反轉對于用NAND Flash存儲多媒體信息時倒不是致命的。當然，如果用本地存儲設備來存儲操作系統(tǒng)、配置文件或其他敏感信息時，必須使用EDC/ECC系統(tǒng)以確?？煽啃浴膲K處理NAND Flash器件中的壞塊是隨機分布的。NAND Flash器件需要對介質進行初始化掃描來發(fā)現壞塊，并將壞塊標記為不可用。 

1.1.5　易于使用

　　NAND Flash不能在片內運行程序，而NOR Flash可以。但目前很多CPU都可以在上電時以硬件的方式先將NAND Flash的第一個Block中的內容（一般是程序代碼，也許不足一個Block，如2 KB大?。┳詣涌截惖絉AM中，然后再運行。因此，只要CPU支持，NAND Flash也可以當成啟動設備。由于需要I/O接口，NAND Flash要復雜得多。各種NAND Flash器件的存取方法因廠家而異。在使用NAND Flash器件時，必須先寫入驅動程序，才能繼續(xù)執(zhí)行其他操作。

1.2　NAND Flash的存儲結構

　　大多數的NAND Flash都大同小異，所不同的只是該NAND Flash芯片的容量大小和讀寫速度等基本特性。

　　塊Block是NAND Flash的擦除操作的基本/最小單位。頁是讀寫操作的基本單位。

　　每一個頁，對應還有一塊區(qū)域，叫做空閑區(qū)域/冗余區(qū)域，而在Linux系統(tǒng)中，一般叫做OOB（Out Of Band）[2]。這個區(qū)域最初基于NAND Flash的硬件特性，數據在讀寫時候相對容易出錯，所以為了保證數據的正確性，必須要有對應的檢測和糾錯機制，此機制被叫做EDC(Error Detection Code)/ECC（Error Code Correction)。所以設計了多余的區(qū)域，用于放置數據的校驗值。OOB的讀寫操作一般是隨著頁的操作一起完成的，即讀寫頁的時候，對應地就讀寫了OOB。OOB的主要用途： 標記是否是壞塊，存儲ECC數據，存儲一些和文件系統(tǒng)相關的數據。

1.3　NAND Flash的接口控制設計

　　系統(tǒng)中選用的NAND Flash為海力士半導體公司(Hynix)的H27U1G8F2B[3]，它是一個1 GB的內存，每頁的大小為2 112字節(jié)（2048＋64備用），每個塊的大小為128K+4K備用字節(jié)。H27U1G8F2B的8個I/O引腳是地址復用的，這樣可以減少引腳數，并方便系統(tǒng)升級，閃存的電源為3?3 V。NAND Flash H27U1G8F2B的接口控制電路如圖1所示。

圖1　NAND Flash控制電路

　　由于NAND Flash只有8個I/O引腳，而且是復用的，既可以傳數據，也可以傳地址、命令。設計命令鎖存使能(Command Latch Enable, CLE) 和 地址鎖存使能(Address Latch Enable，ALE)，就是先要發(fā)一個CLE（或ALE）命令，告訴NAND Flash的控制器一聲，下面要傳的是命令（或地址）。這樣，NAND Flash內部才能根據傳入的內容，進行對應的動作。相對于并口的NOR Flash的48或52個引腳來說，大大減小了引腳數目，這樣封裝后的芯片體積小。同時，減少了芯片接口，使用此芯片的相關的外圍電路會更簡化，避免了繁瑣的硬件連線。

2　軟件設計

2.1　NAND Flash的讀寫控制

　　Linux MTD[4]對NAND Flash芯片的讀寫主要分三部分：

① struct mtd_info中的讀寫函數，如read、write_oob等，這是MTD原始設備層與Flash硬件層之間的接口。

② struct nand_ecc_ctrl中的讀寫函數，如read_page_raw、write_page等，主要用來做一些與ECC有關的操作。

③ struct nand_chip中的讀寫函數，如read_buf、cmdfunc等，與具體的NAND controller相關，就是這部分函數與硬件的交互。

　　這三部分讀寫函數是相互配合著完成對NAND Flash芯片的讀寫的。首先，MTD上層需要讀寫NAND Flash芯片時，會調用struct mtd_info中的讀寫函數；接著，struct mtd_info中的讀寫函數就會調用struct nand_chip或struct nand_ecc_ctrl中的讀寫函數；最后，若調用的是struct nand_ecc_ctrl中的讀寫函數，那么它又會接著調用struct nand_chip中的讀寫函數。讀寫相關函數如圖2所示。

圖2　讀寫相關函數

2.2　NAND Flash的讀頁流程

2.2.1　讀頁時序

　　讀頁流程如圖3所示?？梢钥吹饺绻獙崿F讀一個頁的數據，就要發(fā)送Read的命令，而且是分兩個周期，即分兩次發(fā)送對應的命令。第一次是00h,第二次是30h，而兩次命令中間，需要發(fā)送對應的你所要讀取的頁的地址。 圖4為讀頁時序。[!--empirenews.page--]

圖3　讀頁流程


圖4　讀頁時序

2.2.2　讀頁主要函數

　　NAND Flash讀頁的主要函數有nand_read、nand_do_read_ops、nand_command_lp、nand_read_page_hwecc、read_buf。MTD上層會調用struct mtd_info中的讀page函數，即nand_read函數，然后調用nand_do_read_ops，接著會調用struct nand_chip中的cmdfunc函數。這個cmdfunc函數與具體的NAND controller相關，它的作用是使NAND controller向NAND芯片發(fā)出讀命令，NAND芯片收到命令后，就會做好準備等待NAND controller下一步的讀取。接著nand_read函數又會調用struct nand_ecc_ctrl中的read_page函數，而read_page函數又會調用struct nand_chip中read_buf函數，從而真正把NAND芯片中的數據讀取到buffer中。read_buf函數返回后，read_page函數就會對buffer中的數據做一些處理，比如ECC校驗。讀頁主要函數代碼如下：

static int nand_do_read_ops(struct mtd_info *mtd, loff_t from, struct mtd_oob_ops *ops) { 
　　…… 
　　while(1) { 
　　　　…… 
　　　　/*先發(fā)送對應的讀頁（read page）的命令*/
　　　　chip?﹥cmdfunc(mtd, NAND_CMD_READ0, 0x00, page); 
　　　　……
　　　　/*發(fā)送完命令，接著去調用read_page函數讀取對應的數據*/
　　　　ret=chip?﹥ecc.read_page(mtd, chip, bufpoi); 
　　　　buf+=bytes; 
　　　　…… 
　　　　readlen-=bytes; 
　　　　if(!readlen) 
　　　　　　break; 
　　　　col=0;/*頁內地址對齊*/
　　　　ealpage++;/*頁號加1*/
　　　　page=realpage & chip?﹥pagemask; 
　　　　…… 
　　} 
　　……
} 

2.3　NAND Flash的寫頁流程

2.3.1　寫頁時序


圖5　寫頁時序

　　從圖5寫頁時序可以看到，如果要實現寫一個頁的數據，就要發(fā)送Page program的命令，而且是分兩個周期，即分兩次發(fā)送對應的命令。第一次是80h,第二次是10h，而兩次命令中間，需要發(fā)送對應的要寫的頁的地址和數據。第3個周期是發(fā)送讀狀態(tài)寄存器命令70h, 如果I/O口為低電平,表示數據寫入成功，否則失敗。寫頁流程如圖6所示。

圖6　寫頁流程

2.3.2　寫頁主要函數

　　以寫NAND Flash芯片為例，其寫數據的工作過程：首先，MTD上層會調用struct mtd_info中的寫page函數，即nand_write函數，然后調用nand_do_read_ops。接著函數會調用struct nand_chip中cmdfunc函數，這個cmdfunc函數與具體的NAND controller相關，它的作用是使NAND controller向NAND芯片發(fā)出寫命令，NAND芯片收到命令后，就會做好準備等待NAND controller下一步的讀取。接著nand_write函數又會調用struct nand_ecc_ctrl中的write_page函數，而write_page函數又會調用struct nand_chip中write_buf函數，從而真正把數據寫到NAND Flash芯片中。

　　MTD讀取數據的入口是nand_write，然后調用nand_do_write_ops，此函數主體代碼如下:
static int nand_do_write_ops(struct mtd_info *mtd, loff_t to, struct mtd_oob_ops *ops){
　　……
　　if (nand_check_wp(mtd))/*檢測,寫保護*/
　　　　return -EIO;
　　……
　　while(1){
　　　　……
　　　　ret=chip?﹥write_page(mtd, chip, wbuf, page, cached,(ops?﹥mode==MTD_OOB_RAW));/*寫頁數據*/
　　　　writelen-=bytes;
　　　　if (!writelen)
　　　　　　break;
　　　　column=0; /*頁內地址對齊*/
　　　　buf+=bytes;
　　　　realpage++; /*頁號加1*/
　　　　page=realpage & chip?﹥pagemask;
　　　　……
　　　　}
……
}