nand flash_笔记

最新推荐文章于 2022-09-01 14:14:35 发布

benjamin721

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分类专栏： ARM

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本文深入探讨了NAND Flash的基本概念，包括其结构、操作原理、典型特性及接口规范等内容，并对比了NOR Flash的特点，同时介绍了相关的ONFI与LBA规范，以及适用于NAND Flash的嵌入式文件系统。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

参考文章：http://blog.youkuaiyun.com/xgbing/article/details/18422691

名次解释：

BBM : Bad Block Management 坏块管理

BBT : Bad Block Table 坏块表

ECC : Error Correction Code 错误校验码

MTD : Memory Technology Device 内存技术设备

Norflash：以块为单元，写入时需要先擦除，擦除和写入的速度很慢，但Norflash具有SRAM接口，有单独的地址总线和数据总线，接口简单，像访问ROM一样，读取速度快，能随机访问存储单元。通常用来存储启动代码，价格贵1-16M居多

Norflash有两种标准JEDEC 和CFI

JEDEC Joint Electron Device Engineering Council 电子元件工业联合会，JEDEC用来帮助程序读取Flash的PID和VID，以确定flash的大小和算法。

CFI Common Flash Interface 公共闪存接口。是一个公开标准的从flash中读取数据的接口，是系统软件查询已安装的flash的各种参数，市面Norflash大多支持CFI。

CFI规定先往flash数据总线写入55H，再写98H，然后从地址10H读取3Byte，如果是'Q' 'R' 'Y' ，那么遵循CFI标准。

cfi.h规定了查询的数据结构

/* Basic Query Structure */  
struct cfi_ident {  
    uint8_t  qry[3];//’Q‘,'R','Y'  
    uint16_t P_ID;  
    uint16_t P_ADR;  
    uint16_t A_ID;  
    uint16_t A_ADR;  
    uint8_t  VccMin;  
    uint8_t  VccMax;  
    uint8_t  VppMin;  
    uint8_t  VppMax;  
    uint8_t  WordWriteTimeoutTyp;  
    uint8_t  BufWriteTimeoutTyp;  
    uint8_t  BlockEraseTimeoutTyp;  
    uint8_t  ChipEraseTimeoutTyp;  
    uint8_t  WordWriteTimeoutMax;  
    uint8_t  BufWriteTimeoutMax;  
    uint8_t  BlockEraseTimeoutMax;  
    uint8_t  ChipEraseTimeoutMax;  
    uint8_t  DevSize;  
    uint16_t InterfaceDesc;  
    uint16_t MaxBufWriteSize;  
    uint8_t  NumEraseRegions;  
    uint32_t EraseRegionInfo[0]; /* Not host ordered */  
} __attribute__((packed));

nand flash结构图

对于flash，读取/写入的最小单元是 Page/页，一般大小是2KB 4KB 8KB

擦除的最小单元是 Block/块，一般大小是128KB 256KB 512KB

管脚说明：

IO0 - IO7 ：数据/地址复用

CLE ：命令锁存

ALE ：地址锁存

CE ：芯片使能

RE ：读使能

WE ：写使能

WP ：写保护

R/B ：就绪/忙

典型特性：

1、页擦除时间是200us，慢的800us

2、块擦除时间是1.5ms

3、页数据读取到数据寄存器一般时间是20us

4、串行访问一个数据的时间是25ns

5、页寄存器（Page Register），对于每一片plane，都有用于缓存将要读写的一页数据，又叫页缓存

nand flash的读写数据流向：

举例：nand flash 数据读取时序图

物理地址 = 块大小 * 块号 + 页大小 * 页号 + 页内地址

案例：

型号K9K8G08U0A，8192个块，每个块64页，每个页2K

访问第7000个块中的第64页的1208字节的地址，物理地址 = 128K *7000 + 2K *64 +1208 = 0x36B204B8

nand flash的地址周期组成：

nand flash的地址周期有5个，2个列周期column address，3个行周期row address

A0 - A10是业内地址，范围0 - 2047

A11用于表示业内的oob区域，其大小是64字节

A12 - A30 是页号

A18 - A30 是块号

所以：0x36B204B8 = 11 0110 1011 0010 0000 0100 1011 1000

周期1 ： A0 - A7 1011 1000 0xB8

周期2 ： A10 - A8 100 0x04

周期3 ： A19 - A11 010 0000 0 0x40

周期4 ： A27 - A20 110 1011 0 0xD6

周期5 ： A30 - A28 11 0 0x06

注意：A11用于oob位置，只有当页内地址属于2048-2111的时候，A11才会有效果

在Linux源码/drivers/mtd/nand/nand_base.c中，是这样处理的：

static void nand_command_lp(struct mtd_info *mtd, unsigned int command,
                int column, int page_addr)
{
......
        /* Serially input address */
        if (column != -1) {
......
            chip->cmd_ctrl(mtd, column1, ctrl); /* 发送Col Addr 1 */
            ctrl &= ~NAND_CTRL_CHANGE;
            chip->cmd_ctrl(mtd, column >> 8, ctrl); /* 发送Col Addr 2 */
        }
        if (page_addr != -1) {
            chip->cmd_ctrl(mtd, page_addr2, ctrl); /* 发送Row Addr 1 */
            chip->cmd_ctrl(mtd, page_addr >> 8, /* 发送Row Addr 2 */
                       NAND_NCE | NAND_ALE); 
            /* One more address cycle for devices > 128MiB */
            if (chip->chipsize > (128 << 20))
                chip->cmd_ctrl(mtd, page_addr >> 16, /* 发送Row Addr 3 */
                           NAND_NCE | NAND_ALE); 
        }
}

虽然操作是读取页内部分数据，但硬件仍会将整个页读取到页缓存中。

nand flash相关规范

ONFI 规范 Open Nand Flash Interface specification

有Intel主导，统一了nand flash的操作接口包括操作命令。

http://onfi.org/specifications/

LBA规范

LBA Nand Flash : Logical Block Address，逻辑块寻址的Nand Flash，Toshiba主导

普通nand flash是按物理块寻址，缺点是坏块情况下的软件工作量繁重。

LBA把ECC校验、坏块管理、负载平衡的工作放在硬件上实现。

http://www.toshiba-components.com/prpdf/5678E.pdf

嵌入式常用文件系统：

JFFS2 是RedHat基于JFFS开发的闪存文件系统。可读，可压缩的日志型文件系统，提供崩溃/掉电安全保护，使用了基于哈希表的日志节点结构，加快了对节点操作速度，支持数据压缩，提供“写平衡”支持，是目前最流行的文件系统。缺点是：文件系统已满，或者接近于满时，JFFS2运行变慢，因为碎片收集的问题

Yaffs 和jffs2类似的闪存文件系统，专为嵌入式系统使用Nand型闪存而设计的一种日志文件系统。比jffs2少了一个功能，因此速度更快，对内存要求比较小。自带Nand芯片驱动，提供了直接访问文件系统的API。用户可以直接对文件系统操作。相反，Jffs2在Nand闪存上表现得并不稳定，更适合Nor闪存