Nand Flash 笔记（五） W25N01G手册解读

Nand Flash 笔记

第一章 Nand概述
第二章 硬件接口规范
第三章 软件功能规范
第四章 接口规范
第五章 W25N01G手册解读
第六章 HC32F460_QSPI驱动
第七章 FatFs移植
第八章 lvgl文件系统移植
第九章 lvgl之tiny ttf engine

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一、概述

1.1 产品简介

W25Nxx是中国台湾Winbond(华邦)公司推出的一系列Nand Flash产品，包括从512Mb-4Gb各容量的芯片。下图是从手册中摘出的命名规范：

该芯片具有以下特性：

• 兼容标准SPI 串行flash命令
• 代码影射，XIP功能
• 常规的缓冲读取模式(BUF=1)及特有的连续读模式(BUF=0)
• 用户可配置的内置硬件ECC功能，采用海明码，支持1位纠错及2位检错能力
• 支持部分编程，NoP=4（可1/4页写入）
• 内置坏块管理功能
• 支持JEDEC标准的厂商及设备ID，附加 UniqueID页，参数页及10个2K大小的OTP页

1.2 引脚

该芯片工作电压为2.7~3.6V，支持Standart/Dual/Quad Spi读写接口，常见多为WSON-8封装，引脚图如下

\模式 \ 引脚\	标准SPI	Dual SPI	Qual SPI	备注
/CS	片选	片选	片选	低电平有效，上下电时必须跟随电源（可以加上拉电阻）
CLK	时钟	时钟	时钟	最大104MHz，SPI MODE 0 空闲时低电平，SPI MODE 3 空闲时高电平
DI	MOSI	IO0	IO0	-
DO	MISO	IO1	IO1	-
/WP	写保护	写保护	IO2	低电平有效，由SR-1寄存器的WP-E位控制，WP-E=0时，硬件写保护仅可作用于SR-1，由SRP[1:0]和BP[3:0]控制软件写保护的范围。WP-E=1时，四线SPI读操作不可用，硬件写保护作用于整个芯片
/HOLD	状态保持	状态保持	IO3	低电平有效，四线模式时不可用，CLK下降沿 和 /HOLD 引脚电平变化 共同满足之后保持功能打开/关闭

ps: 数据输入输出口均为时钟上升沿写入，下降沿读取。

1.3 空间

W25N01G 共1024个块，每块64页，每页2048Byte数据空间，即：

1Gbit = 128MByte = (1024 Block per Chip) × (64 page per Block) × ( 2048 Byte per page)

为了满足ECC校验及坏块管理的功能，每页还有额外64Byte的Spare Area(空闲空间)，空闲空间还提供了2+4字节的用户数据区用来存放自定义数据，有些文件系统（如jffs2）就用到了自定义数据来存放文件系统信息。
W25N01G支持部分编程，最小的编程单位是sector(扇区)，每页分为4个512字节的扇区，空闲空间也对应分为16字节×4，部分编程时，每扇区的数据和它对应的空闲空间数据要一并写入。一个page的内部划分如下图所示

寻址采用 页地址(PA) + 列地址(CA) 方式：页地址长16位，由10bit块地址 + 6bit页地址 组成；列地址12位，寻址空间为0-4095，但只有前(2048 + 64)字节空间可以读写。32位地址的位域定义如下图

主存储空间外，W25N01G还具有单独的1个UniqueID页，1个参数页及10个OTP页，地址如下：

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二、寄存器

2.1 SR-1(写保护寄存器)

• WP-E = 0，SRP1 = 1： /WP引脚无写保护功能
  • SRP0 = 0：上下电时SRP0、SRP1复位为0
  • SRP0 = 1：寄存器SR-1上下电不丢失
• WP-E = 0，SRP1 = 0：
  • SRP0 = 0：/WP引脚无写保护功能
  • SRP0 = 1：/WP引脚保护SR-1寄存器
• WP-E = 1，SRP1 = 0：SR-1 不保护
• WP-E = 1，SRP1 = 1，SRP0 = 0：SR-1上下电复位
• WP-E = 1，SRP1 = 1，SRP0 = 1：寄存器上下电不丢失
• WP-E = 1，/WP有效：全局写保护。

块保护寄存器的对应的保护范围表如下图

2.2 SR-2(配置寄存器)

OTP-L：设为1将OTP锁定避免再次修改。
OTP-E：设为1后才可以访问OTP页，上电复位值为0
SR1-L：仅SRP1、SRP0均为1且OTP-E使能方可设为1，锁定SR-1寄存器
ECC-E：使能内置ECC校验，复位值为1
BUF：默认值见命名规则定义，BUF = 1使能缓冲读取，否则连续读取。

2.3 SR-3(状态寄存器)

LUT-F：LUT-F默认值为0，当坏块管理表全部用完时，LUT-F置1
ECC-1，ECC-0：ECC使能时，读取数据之后应当查询这两位以确保数据完整性，上电、重置或完成一次页读取后均自动复位

P-FAIL：编程操作超时或试图写入被保护空间时此位置1，设备重置或执行编程操作时此位自动清零

E-FAIL：擦除超时或试图擦除被保护空间时置1，设备重置或执行编程操作时此位自动清零

WEL：写使能，复位值为0，输入写使能命令后置1，写禁止/编程/擦除/读取/OTP编程/坏块管理命令后自动清零

BUSY：上电未完成或执行页读取/编程/擦除、坏块管理、OTP操作命令时置1，BUSY时除了读取状态寄存器和读取JEDEC ID的指令均会被忽略，编程/擦除或写入状态寄存器操作完成后自动清零。

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三、命令

指令集共27条基础指令，由 操作码（OpCode）+地址（Addr）+数据（Data） 组成。所有数据的传输都是高位优先（MSB first）。
有些情况下还包含虚拟字节（DummyByte），其作用是保证在该处输出8-bit的时钟，所以它的值不重要，可以是任意值。
/CS拉低之后第一个字节为指令。读指令可以在任一bit的时钟结束之后完成，而写/编程/擦除指令必须到完整的8-bit输入完成，/CS拉高后才认为完成，否则会被忽略掉，这一特性预防了对Nand的意外更改操作。

连续读取模式下，/CS拉高终止读取，缓冲内数据丢失，经过一段时间（tRD3）后设备busy状态解除，重新读取必须再次发送读指令。
缓冲读取模式下，/CS拉高终止读取，缓冲内数据不变，设备busy状态立刻解除。

W25N01GVxxxG默认为连续读模式，
W25N01GVxxxT默认为缓冲读模式，他们除了读命令结构不同之外，共用其他命令。无论是否使能ECC，连续读取模式下，只读取2048字节的主空间数据；而缓冲读模式下，还要再读取64字节的空闲空间内容。
W25N01GVxxxR固定为缓冲读模式，该系列不支持5条4-Byte寻址读命令及2条坏块管理命令和获取ECC出错地址命令。

命令列表

• 设备管理

指令	FFh	9Fh	A1h	A5h	A9h
描述	重置	JEDEC ID	坏块管理	读取坏块映射表	查询ECC出错位置

• 寄存器操作

指令	0F/05h	1F/01h	06h	04h
描述	读状态寄存器	写状态寄存器	写使能	写禁止

• 擦写操作

指令	描述	指令	描述
D8h	块擦除	10h	编程执行
02h	编程数据加载（buffer重置）	32h	四线编程数据加载（buffer重置）
84h	随机编程数据加载	34h	四线随机编程数据加载

• 读操作

指令	03h	13h
描述	读取	页读取

输入输出	Output（00h）		I/O（80h）		读（00h）
\SPI \ 寻址\	二线（30h）	四线（60h）	二线（30h）	四线（60h）	标准（00h）
普通寻址（0Bh）	3Bh	6Bh	BBh	EBh	0Bh
四字节寻址（0Ch）	3Ch	6Ch	BCh	ECh	0Ch

需要注意的是，操作码只能在DI引脚上传输，而地址、数据可以采用标准/双线/四线方式传输。
标准SPI模式下，输入都在DI引脚，输出都在DO引脚。

多线输入输出指令的Output模式和I/O模式的区别在于是否采用多线方式进行输入。
例如，在3Bh命令（2线Output读模式）下，地址和虚拟字节采用DI引脚传输，而读到的数据通过IO0，IO1引脚进行双线传输；
而在BBh命令（2线I/O读模式）下，地址和虚拟字节也采用IO0，IO1引脚进行双线传输。

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命令解析

3.1 单字节命令

包括0xFF（设备重置），0x04（写禁止），0x06（写使能），时序图如下

3.2 读取JEDEC ID

此ID是指JEDEC标准规定的厂商和产品型号的标志码，对W25N01G来说，厂商ID是0xEF，设备ID是0xAA21。命令时序如下

3.3 读状态寄存器

写入指令和地址后状态寄存器的值会连续上传知道/CS拉高指令结束，由此可以实现一次指令实现多次读取状态寄存器，命令时序如下

状态寄存器地址如下

寄存器	SR-1	SR-2	SR-3
地址	Axh	Bxh	Cxh

3.4 写状态寄存器

3.5 坏块管理

普遍标准规定，Nand设备出厂时允许存在2%数量以内的坏块，对W25N01G来说，也就是1024 × 2% = 20个以下的坏块是允许的。为了保证Nand作为启动设备时可以正常工作，所以厂商保证了出厂时前8个block不是坏块，即最前面1M大小的空间不是坏块。
为了更加便捷的实现坏块管理功能，芯片内置了一张最大支持20条记录的坏块管理查询表（Bad Block Manage Look-Up Table），以 LBA(逻辑地址，坏块)---->PBA(物理地址，正常块) 的方式记录坏块。LBA的最高两位表明该条记录状态，如下，00表示未使用，10表示坏块记录有效，11表示记录废弃，01状态不允许存在。

芯片中的每个块之间都是隔离的，坏块的存在不会影响其他块的性能。出厂坏块通过每个块的page0的第一个字节写入非FF值标出，同时page0的空闲空间的前两字节也写入非FF值。注意，坏块信息一旦被擦除就无法恢复。因此，在使用之前，应当扫描所有块并建立坏块表。一个基本的坏块表初始化流程如图

除了出厂时可能存在的坏块，随着芯片使用也可能产生坏块，为此，在使用过程中请遵循如下规则：

• 每528Byte至少有1位ECC校验以保证纠错能力
• 读取操作必须校验ECC
• 在每次擦除/编程之后，读取状态寄存器P-FAIL和E-FAIL位来确认操作是否成功，若失败，执行块替代操作：
  1. 检测到某页发生错误；
  2. 将该页所在块中前面的页全部复制到另一有效块
  3. 重新将该页写入新块
  4. 更新坏块管理表

命令0xA5可以逐个读取LUT表，/CS拉高控制命令结束，可以在任何一位后结束而无需等待全部的坏块管理表读完。
通常情况下，如果读到某条记录未使用（LBA高8位位0x00），那它后面的记录应当都没有使用，可以之间拉高/CS结束读取。
命令时序如下

坏块管理命令0xA1可以将坏块的LBA、PBA写入坏块管理表，该命令执行前必须执行写使能命令以允许坏块管理操作执行。更进一步的，我们需要首先读取坏块管理i表或读取状态寄存器3的LUT-F位来确认LUT是否有空间执行新的写入。命令时序如下

3.6 ECC校验

状态寄存器SR-2的ECC-E位置1使能内置ECC校验功能。
在编程过程中，ECC模块会自动计算Buffer中数据的ECC值并将之写入附加空间。
读取过程中，ECC信息用来检验读出的数据并进行有限位的纠错。寄存器SR-3的ECC-0，ECC-1位表示校验结果。

ECC-0	ECC-1	描述
0	0	无错
0	1	整个输出进行了1位纠错
1	0	单个页面检测到2位错误，连续读取模式下还可使用A9h命令读取出错的页地址
1	1	整个输出在多个页面检测到2位错误，连续读取模式下，A9h只能读到最后一个出错页的地址

连续模式下，读却结束后ECC-0，ECC-1表示整个传输过程中ECC校验的结果，若出错，使用0xA9命令可以读取出错页地址，命令时序如下

3.7 块擦除

W25N01G的擦除以Block为单位，擦除命令为0xD8，执行擦除命令之前必须执行写使能命令。命令时序如下

3.8 编程

块内的页面必须从块内的LSB（最低有效位）页面到MSB（最高有效位）按顺序编程。LSB被定义为编程的起始页，不需要是块中的第0页。禁止随机页面编程。
编程操作分两个步骤：

1. 加载待编程数据到缓冲区。
2. 执行编程。

加载编程数据

加载数据只能采用标准SPI或者四线SPI，加载数据之前要先执行写使能命令。
缓冲区大小为2112字节，数据最少1字节，最多2112字节，超出忽略。
对于ECC使能状态来说，最大只能传输2048字节，

随机加载和普通加载的区别在于前者不会重置缓冲区，例如加载N个Byte，剩余（2112-N）个字节保持之前的值不变，而普通加载则会将剩余空间重置为0xFF。

0x02/0x84标准SPI加载数据命令时序如下

0x32/0x34四线SPI加载数据命令时序如下

执行编程

块内的页需要从低地址到高地址顺序编程，不允许乱序编程。

3.9 读取

读取指令较复杂，主要由于有连续读和缓冲读两种模式，传输又分标准、二线、四线读几种，二线、四线传输又有双向和单向区别，而指令也分为3字节寻址（普通寻址）和4字节寻址两种，各种组合下来就有多种命令，但无论读取模式怎样，读取的基本流程和指令结构是共通的。
根据W25N01G手册来看，除了0x03普通读取命令之外，其他都是FastRead快速读取模式，后者支持更高的时钟频率，但由于引脚接收命令及内部传输延迟，当频率提高时就需要在命令后添加几个虚拟周期来让Flash作出反应。
和编程一样，读取也需要先将数据加载到缓冲区中，再执行读取指令将数据取出。

0x13页加载命令

时序如下

缓冲读取模式

缓冲模式下，读取指令后跟随2字节列地址，随后输出若干DummyByte，随即可以在DO引脚或IO引脚上读到数据。缓冲区数据传输完毕后数据引脚切到高阻态。

连续读取模式

连续模式下，无需输入列地址，列地址对应的命令字节使用DummyByte代替。输出数据从缓冲区第一个字节开始，缓冲区传输完成后自动传输下一页。命令时序如下：

3.10 OTP & UniqueID & Parameter

SR-2的OTP-E置位后，所有的读写操作指向附加页。OTP模式下只有缓冲读取模式可用。

OTP锁定后，OTP页无法更改，也无法解锁。锁定流程需要：1.OTP-L置位；2.执行编程命令（0x10），地址无作用。

UID页、参数页及地址如1.3节所述。

4. 综合

新手调试NandFlash，一个Flash编程器是相当有用的。推荐下图这款ch341A编程器，淘宝上很多，十几块钱一套

配套软件NeoProgrammer，这是基于开源软件AsProgrammer改进的一个版本，支持多种芯片，支持自定义脚本，后者的原作者我没能找到，只在git上找到了库UsbAsp-flash和asprogrammer-dregmod，至于前者，我猜应该是某位毛子程序员发布的，证据是软件里面的文档居然是俄文+英文版的……在52pojie论坛上有更多详尽的资料和讨论，这里贴一个传送门

NeoProgrammer恰巧支持W25N01G这款芯片，但软件自带界面只支持简单的全片擦除和读写，要实现对某页的读写就需要用到自定义脚本功能了。我们以读取芯片的JEDEC ID和Unique ID为例。

脚本支持的命令如下

十六进制数用$xx来标识，如$BF表示0xBF。

这是读取JEDEC ID(通常编程器也是通过这个ID来识别芯片型号的，W25N01G是0xEFAA21)

{$ READ_JEDEC_ID}
begin
  ID:= CreateByteArray(3);
  if not SPIEnterProgMode(_SPI_SPEED_MAX) then LogPrint('Error setting SPI speed');
  LogPrint ('Read JEDEC ID');
  
  // read ID to test installation 
  SPIWrite (0, 2, $9F, $00);
  SPIRead(1, 3, ID);
  
  logprint('CHIP ID: ' + inttohex((GetArrayItem(ID, 0)),2)+ inttohex((GetArrayItem(ID, 1)),2) + inttohex((GetArrayItem(ID, 2)),2));
  LogPrint ('End read JEDEC ID');
  SPIExitProgMode ();
end

这是读取Unique ID，需要注意我们需要先写SR-2寄存器的OTP-E位，读完之后再把该位清零。
如1.3节所示，Unique ID是 32Byte × 16，也就是512个字节，我们接着看

{$ READ_UNIQUE_ID}
begin
  if not SPIEnterProgMode(_SPI_SPEED_MAX) then LogPrint('Error setting SPI speed');
  LogPrint ('Read Unique ID');
  sreg :=$FF;
  buff:= CreateByteArray(4);
  bufflen:= 512;
  
  //Read SR-2
  SPIWrite(0, 2, $0F, $B0);
  SPIRead(1, 1, sreg);

  //Set bit OTP-E
  SPIWrite(1, 3, $1F, $B0, (sreg or $40));
  
// load page 0 into buffer
  Page:= 0;
  SetArrayItem(buff, 0, $13);
  SetArrayItem(buff, 1, 0); // dummy
  SetArrayItem(buff, 2, (page shr 8)); // High 8-bit
  SetArrayItem(buff, 3, (page)); // Low 8-bit
  SPIWrite (1, 4, buff);

  // wait if busy
    repeat
      SPIWrite(0, 2, $0F, $C0);
      SPIRead(1, 1, sreg);
    until((sreg and 1) <> 1);
    
  //common read
  SetArrayItem(buff, 0, $03);
  SetArrayItem(buff, 1, 0); // CA15-8
  SetArrayItem(buff, 2, 0); // CA7-0
  SetArrayItem(buff, 3, 0); // dummy
  SPIWrite (0, 4, buff);

  SPIReadToEditor (1, bufflen);

  // exit otp
  SPIWrite(0, 2, $0F, $B0);
  SPIRead(1, 1, sreg);
  SPIWrite(1, 3, $1F, $B0, (sreg xor $40));

  LogPrint ('End read page');
  SPIExitProgMode ();
end

我们看读取到的是什么样子的：

可以看到，每32个字节重复一次，手册中的 32Byte × 16 就解释通了，也就是说真正的Unique ID只有32字节，但是，真的是32字节吗？我们仔细看，可以看到，后16个字节是前16个字节的反码，而第8-15位是有规律交替的FF 00，所以，真正含有信息的只有前8字节！