nand-flash-裸板驱动及其时序图详解

nandflash裸板驱动，介绍的比较精辟的驱动程序设计：硬件特性：【Flash的硬件实现机制】Flash全名叫做FlashMemory，属于非易失性存储设备(Non-volatileMemoryDevice)，与此相对应的是易失性存储设备(VolatileMemoryDevice)。关于什么是非易失性/易失性，从名字中就可以看出，非易失性就是不容易丢失，数据存储在这类设备中，即使断电了，也不会丢失，这类设备，除了Flash，还有其他比较常见的入硬盘，ROM等，与此相对的，易失性就是断电了，数据就丢失了，比如大家常用的内存，不论是以前的SDRAM，DDRSDRAM，还是现在的DDR2，DDR3等，都是断电后，数据就没了。Flash的内部存储是MOSFET，里面有个悬浮门(FloatingGate)，是真正存储数据的单元。在Flash之前，紫外线可擦除(uv-erasable)的EPROM，就已经采用用FloatingGate存储数据这一技术了。数据在Flash内存单元中是以电荷(electricalcharge)形式存储的。存储电荷的多少，取决于图中的外部门（externalgate）所被施加的电压，其控制了是向存储单元中冲入电荷还是使其释放电荷。而数据的表示，以所存储的电荷的电压是否超过一个特定的阈值Vth来表示。【SLC和MLC的实现机制】NandFlash按照内部存储数据单元的电压的不同层次，也就是单个内存单元中，是存储1位数据，还是多位数据，可以分为SLC和MLC：1.SLC，SingleLevelCell:单个存储单元，只存储一位数据，表示成1或0.就是上面介绍的，对于数据的表示，单个存储单元中内部所存储电荷的电压，和某个特定的阈值电压Vth，相比，如果大于此Vth值，就是表示1，反之，小于Vth，就表示0.对于nandFlash的数据的写入1，就是控制ExternalGate去充电，使得存储的电荷够多，超过阈值Vth，就表示1了。而对于写入0，就是将其放电，电荷减少到小于Vth，就表示0了。关于为何NandFlash不能从0变成1，我的理解是，物理上来说，是可以实现每一位的，从0变成1的，但是实际上，对于实际的物理实现，出于效率的考虑，如果对于，每一个存储单元都能单独控制，即，0变成1就是，对每一个存储单元单独去充电，所需要的硬件实现就很复杂和昂贵，同时，所进行对块擦除的操作，也就无法实现之前的，一闪而过的速度了，也就失去了Flash的众多特性了。2.MLC，MultiLevelCell：与SLC相对应，就是单个存储单元，可以存储多个位，比如2位，4位等。其实现机制，说起来比较简单，就是，通过控制内部电荷的多少，分成多个阈值，通过控制里面的电荷多少，而达到我们所需要的存储成不同的数据。比如，假设输入电压是Vin＝4V（实际没有这样的电压，此处只是为了举例方便），那么，可以设计出2的2次方＝4个阈值，1/4的Vin＝1V，2/4的Vin＝2V，3/4的Vin＝3V，Vin＝4V，分别表示2位数据00，01，10，11，对于写入数据，就是充电，通过控制内部的电荷的多少，对应表示不同的数据。对于读取，则是通过对应的内部的电流（与Vth成反比），然后通过一系列解码电路完成读取，解析出所存储的数据。这些具体的物理实现，都是有足够精确的设备和技术，才能实现精确的数据写入和读出的。单个存储单元可以存储2位数据的，称作2的2次方＝4LevelCell，而不是2LevelCell，这点，之前差点搞晕了。。。，同理，对于新出的单个存储单元可以存储4位数据的，称作2的4次方＝16LevelCell。【关于如何识别SLC还是MLC】NandFlash设计中，有个命令叫做ReadID，读取ID，意思是读取芯片的ID，就像大家的身份证一样，这里读取的ID中，是读取好几个字节，一般最少是4个，新的芯片，支持5个甚至更多，从这些字节中，可以解析出很多相关的信息，比如此NandFlash内部是几个芯片（chip）所组成的，每个chip包含了几片（Plane），每一片中的页大小，块大小，等等。在这些信息中，其中有一个，就是识别此flash是SLC还是MLC。下面这个就是最常见的NandFlash的datasheet中所规定的，第3个字节，3rdbyte，所表示的信息，其中就有SLC/MLC的识别信息：上图是常见的NandFlash所拥有的引脚（Pin）所对应的功能，简单翻译如下：1.I/O0~I/O7：用于输入地址/数据/命令，输出数据2.CLE：CommandLatchEnable，命令锁存使能，在输入命令之前，要先在模式寄存器中，设置CLE使能3.ALE：AddressLatchEnable，地址锁存使能，在输入地址之前，要先在模式寄存器中，设置ALE使能4.CE#：ChipEnable，芯片使能，在操作NandFlash之前，要先选中此芯片，才能操作5.RE#：ReadEnable，读使能，在读取数据之前，要先使CE＃有效。6.WE#：WriteEnable，写使能,在写取数据之前，要先使WE＃有效。7.WP#：WriteProtect，写保护8.R/B#:Ready/BusyOutput,就绪/忙,主要用于在发送完编程/擦除命令后,检测这些操作是否完成,忙,表示编程/擦除操作仍在进行中,就绪表示操作完成.9.Vcc：Power，电源10.Vss：Ground，接地11.N.C：Non-Connection,未定义，未连接。[小常识]在数据手册中，你常会看到，对于一个引脚定义，有些字母上面带一横杠的，那是说明此引脚/信号是低电平有效，比如你上面看到的RE头上有个横线，就是说明，此RE是低电平有效，此外，为了书写方便，在字母后面加“＃”，也是表示低电平有效，比如我上面写的CE＃；如果字母头上啥都没有，就是默认的高电平有效，比如上面的CLE，就是高电平有效。还有的是在字母前面加个小n,例如nRE,这也是表示低电平有效的。【为何需要ALE和CLE】突然想明白了，NandFlash中,为何设计这么多的命令,把整个系统搞这么复杂的原因了:比如命令锁存使能(CommandLatchEnable,CLE)和地址锁存使能(AddressLatchEnable，ALE)，那是因为，NandFlash就8个I/O，而且是复用的，也就是，可以传数据，也可以传地址，也可以传命令，为了区分你当前传入的到底是啥，所以，先要用发一个CLE（或ALE）命令，告诉nandFlash的控制器一声，我下面要传的是命令（或地址），这样，里面才能根据传入的内容，进行对应的动作。否则,nandflash内部,怎么知道你传入的是数据,还是地址,还是命令啊,也就无法实现正确的操作了.【NandFlash只有8个I/O引脚的好处】1.减少外围引脚：相对于并口(Parellel)的NorFlash的48或52个引脚来说，的确是大大减小了引脚数目，这样封装后的芯片体积，就小很多。现在芯片在向体积更小，功能更强，功耗更低发展，减小芯片体积，就是很大的优势。同时，减少芯片接口，也意味着使用此芯片的相关的外围电路会更简化，避免了繁琐的硬件连线。2.提高系统的可扩展性，因为没有像其他设备一样用物理大小对应的完全数目的addr引脚，在芯片内部换了芯片的大小等的改动，对于用全部的地址addr的引脚，那么就会引起这些引脚数目的增加，比如容量扩大一倍，地址空间/寻址空间扩大一倍，所以，地址线数目/addr引脚数目，就要多加一个，而对于统一用8个I/O的引脚的NandFlash，由于对外提供的都是统一的8个引脚，内部的芯片大小的变化或者其他的变化，对于外部使用者(比如编写nandflash驱动的人)来说，不需要关心，只是保证新的芯片，还是遵循同样的接口，同样的时序，同样的命令，就可以了。这样就提高了系统的扩展性。【Nandflash的一些典型(typical)特性】1.页擦除时间是200us，有些慢的有800us。2.块擦除时间是1.5ms.3.页数据读取到数据寄存器的时间一般是20us。4.串行访问（Serialaccess）读取一个数据的时间是25ns，而一些旧的nandflash是30ns，甚至是50ns。5.输入输出端口是地址和数据以及命令一起multiplex复用的。以前老的NandFlash，编程/擦除时间比较短，比如K9G8G08U0M，才5K次，而后来很多6.nandflash的编程/擦除的寿命，最多允许的次数，以前的nandflash多数是10K次，也就是1万次，而现在很多新的nandflash，技术提高了，比如，Micron的MT29F1GxxABB，Numonyx的NAND04G-B2D/NAND08G-BxC，都可以达到100K，也就是10万次的编程/擦除。和之前常见的NorFlash达到同样的使用寿命了。6.48引脚的TSOP1(K9F1208UOM)封装或52引脚的ULGA封装【NandFlash中的特殊硬件结构】由于nandflash相对其他常见设备来说，比较特殊，所以，特殊的设备，也有特殊的设计，所以，有些特殊的硬件特性，就有必要解释一下：1.页寄存器（PageRegister）：由于NandFlash读取和编程操作来说，一般最小单位是页，所以，nandflash在硬件设计时候，就考虑到这一特性，对于每一片，都有一个对应的区域，专门用于存放，将要写入到物理存储单元中去的或者刚从存储单元中读取出来的，一页的数据，这个数据缓存区，本质上就是一个buffer，但是只是名字叫法不同，datasheet里面叫做PageRegister，此处翻译为页寄存器，实际理解为页缓存，更为恰当些。而正是因为有些人不了解此内部结构，才容易产生之前遇到的误解：以为内存里面的数据，通过NandFlash的FIFO，写入到NandFlash里面去，就以为立刻实现了实际数据写入到物理存储单元中了。而实际上，只是写到了这个页缓存中，只有等你发了对应的编程第二阶段的确认命令0x10之后，实际的编程动作才开始，才开始把页缓存中的数据，一点点写到物理存储单元中去。这也是为什么发完命令0x10之后需要等待一段时间的原因。所以，简单总结一下就是，对于数据的流向，实际是经过了如下步骤：图4NandFlash读写时的数据流向【NandFlash中的坏块(BadBlock)】NandFlash中，一个块中含有1个或多个位是坏的，就成为其为坏块。坏块的稳定性是无法保证的，也就是说，不能保证你写入的数据是对的，或者写入对了，读出来也不一定对的。而正常的块，肯定是写入读出都是正常的。坏块有两种：（1）一种是出厂的时候，也就是，你买到的新的，还没用过的NandFlash，就可以包含了坏块。此类出厂时就有的坏块，被称作factory(masked)badblock或initialbad/invalidblock，在出厂之前，就会做对应的标记，标为坏块。具体标记的地方是，对于现在常见的页大小为2K的NandFlash，是块中第一个页的oob起始位置（关于什么是页和oob，下面会有详细解释）的第1个字节（旧的小页面，pagesize是512B甚至256B的nandflash，坏块标记是第6个字节），如果不是0xFF，就说明是坏块。相对应的是，所有正常的块，好的块，里面所有数据都是0xFF的。（2）第二类叫做在使用过程中产生的，由于使用过程时间长了，在擦块除的时候，出错了，说明此块坏了，也要在程序运行过程中，发现，并且标记成坏块的。具体标记的位置，和上面一样。这类块叫做worn-outbadblock。对于坏块的管理，在Linux系统中，叫做坏块管理（BBM，