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NAND Flash芯片K9F1208在uPSD3234A上的应用
1 NAND FlaSh和NOR Flash闪存(Flash Memory)由于其具有非易失性、电可擦除性、可重复编程以及高密度、低功耗等特点,被广泛地应用于手机、MP3、数码相机、笔记本电脑等数据存储设备中。NAND Flash和NOR Flash是目前市场上两种主要的非易失闪存芯片。与NOR Flash相比,NAND Flash在容量、功耗、使用寿命等方面的优势使其成为高数据存储密度的理想解决方案。NOR Flash的传输效率很高,但写入和擦除速度较低;而NAND Flash以容量大、写速度快、芯片面积小、单元密度高、擦除速度快、成本低等特点,在非易失性类存储设备中显现出强劲的市场竞争力。
结构：NOR Flash为并行,NAND Flash为串行。
总线：NOR Flash为分离的地址线和数据线,而NANDFlash为复用的。
尺寸：典型的NAND Flash尺寸为NOR Flash尺寸的1／8。
坏块：NAND器件中的坏块是随机分布的,需要对介质进行初始化扫描以发现坏块,并将坏块标记为不可用。
位交换：NAND Flash中发生的次数要比NOR Flash多,建议使用NAND闪存时,同时使用EDC／ECC算法。
使用方法：NOR Flash是可在芯片内执行(XIP,eXecute In Place),应用程序可以直接在FIash闪存内运行,不必再把代码读到系统RAM中;而NAND Flash则需I／O接口,因此使用时需要写入驱动程序。
通过以上的分析和比较,NAND Flash更适合于大容量数据存储的嵌入式系统。本设计选用Samsung公司生产的NAND Flash存储器芯片K9F1208作为存储介质,并应用在基于uPSD3234A增强型8051单片机的嵌入式系统中。
2 uPSD3234A简介
uPSD3234A是由意法半导体公司生产的一款基于8052内核的增强型Flash单片机,其结构如图1所示。该单片机包含1个带8032微控制器的Flash PSD、2块Flash存储器、SRAM、通用I／O口可编程逻辑、管理监控功能,并可实现USB、I2C、ADC、DAC和PWM功能。其中,片内8032微控制器,带有2个标准异步通信口、3个16位定时／计数器、1个外部中断以及JTAG ISP接口(用于在系统编程),一般应用于手持设备、家用电器等领域中。
3 K9F1208介绍
K9F1208是Samsung公司生产的512 Mb(64M×8位)NAND Flash存储器。该存储器的工作电压为2.7～3.6 V,内部存储结构为528字节×32页×4 096块,页大小为528字节,块大小为(16 KB+512字节);可实现程序自动擦写、页程序、块擦除、智能的读／写和擦除操作,一次可以读／写或者擦除4页或者块的内容,内部有命令寄存器。如图2所示,该器件按功能可以划分为：存储阵列、输入／输出缓冲、命令寄存器、地址译码寄存器和控制逻辑产生。其中,命令寄存器用来确定外部设备对存储器进行操作的类型;地址译码寄存器用于保存被访问的地址并产生相应的译码选通信号。主设备通过8位I／O端口分时复用访问器件命令、地址和数据寄存器,完成对芯片内存储器的访问。
4 K9F1208读／写和擦除操作的实现
对于K9F1208的操作主要有页读取和页编程操作。图3是NAND Flash的标准页读取时序图。具体的页读取操作如下：发命令阶段,在片选信号CE有效的情况下,首先命令允许信号CLE有效,此时写入信号WE有效,芯片准备好信号R／B置高,表示准备好;同时向I／O口发送读操作命令(0x00或0x01),表示是读操作。发地址阶段,此时片选有效,地址允许信号ALE有效,写入信号WE保持有效,连续发送4个地址字;K9F1208的地址寄存器接收到地址值后,R／B信号将维持“忙”一段时间,此后R／B变为准备好状态。最后是数据输出阶段,每次读有效信号置低有效时,将会输出一组数据。如此往复直到所有数据输出完毕。
图4是NAND FLash的标准页编程时序图。具体的页编程操作如下：发命令阶段,向I／O口发送页编程操作第一个命令字(0x80),表示是页编程操作。发地址阶段,连续发送4个地址字,K9F1208的地址寄存器接收到地址值后,等待接收数据;当数据总线发送数据后,K9F1208连续接收数据,直到接收到页编程的第二个命令字(0x10),即结束等待接收数据的状态;R／B信号将维持“忙”一段时间,此后R／B变为准备好状态。最后总线上发出读状态命令字(0x70),则K9F1208的命令寄存器接收并响应该命令,向I／O口发送表示操作成功的状态数据(0x00)或表示操作失败的状态数据(0X01)。
5 uPSD3234A与K9F1208的连接
5.1 硬件部分
uPSD3234A的数据总线DATA0～7直接连接到K9F1208的数据线上。K9F1208的读／写信号是直接通过uPSD3234A的读／写信号驱动的,K9F1208的ALE地址允许信号、CLE命令允许信号、片选使能信号分别由uPSD3234A的P43、P44、P45来控制,而K9F1208的R／B状态输出信号由uPSD3234A的P46来读取。硬件连接如图5所示。根据该硬件连接的情况,在驱动过程中,可以在uPSD3234A中定义一个无效地址,通过对该无效地址进行读写来控制WR和RD信号。
5.2 软件部分
本设计的驱动程序包括基本的操作函数和Flash操作API函数。基本的操作函数包括输入命令值、输入地址值、输入数据值、读取数据值和读取状态等函数。由于K9F1208是无地址的,故先定义一个外部存储器的空地址来对它进行空写和空读。定义的语句为：
xdata unsigned char rK9Fl208DATA _at_0x5000000;
根据硬件连接图,基本API函数的程序为：
(1) 输入命令值函数
程序说明：赋予P4_5为0,使得CE信号成低电平,从而片选K9F1208有效;赋予P4_4为1,使得CLE信号成高电平,从而使K9F1208的命令允许信号有效;赋予P4_3为0,使得ALE信号成低电平,从而使K9F1208的地址允许信号无效;最后对rK9F1208DATA进行空写命令字,使得WE信号成低电平,K9F1208的命令寄存器从数据总线接收到命令字,并执行相应的操作。
(2) 输入地址值函数
程序说明：赋予P4_5为0,使得CE信号成低电平,从而片选K9F1208有效;赋予P4_4为0,使得CLE信号成低电平,从而使K9F1208的命令允许信号无效;赋予P4_3为1,使得ALE信号成高电平,从而K9F1208的地址允许信号有效;最后对rK9F1208DATA进行空写地址字,使得WE的信号成低电平,K9F1208从数据总线接收到地址字,并锁存到地址锁存器中。
(3) 输入数据值函数
程序说明：赋予P4_5为0,使得CE信号成低电平,从而片选K9F1208有效;赋予P4_4为0,使得CLE信号成低电平,从而使K9F1208的命令允许信号无效;赋予P4_3为0,使得ALE信号成低电平,从而使K9F1208的地址允许信号无效;最后对rK9F1208DATA进行空写数据,使得WE的信号成低电平,K9F1208从数据总线接收到数据,并根据命令寄存器和地址锁存器来处理接收到的数据。
(4) 读取数据值函数
程序说明：赋予P4_5为0,使得CE信号成低电平,从而片选K9F1208有效;赋予P4_4为0,使得CLE信号成低电平,从而K9F1208的命令允许信号无效;赋予P4_3为0,使得ALE信号成低电平,从而使K9F1208的地址允许信号无效;最后对rK9F1208DATA进行空读数据,使得RE的信号成低电平,K9F1208会根据命令寄存器和地址锁存器来向数据总线发送相应的数据。
(5) 读取状态函数
程序说明:只是读取P4_6的状态,以判断K9F1208是否“忙”。如果P4_6为高电平,则表示K9F1208不忙,返回高电平;如果P4_6为低电平,则表示K9F1208“忙”,返回高电平。
为了合理地操作K9F1208,还添加了不选中K9F1208的函数,以便在页读取和页编程操作后,使K9F1208不工作。程序只是让P4_5、P4_4、P4_3为低电平,从而使得K9F1208的片选信号、命令允许信号、地址允许信号无效。宏定义语句如下：
#define flash_inactive( ){P4_5=0;P4_4=0;P4_3=0;)
Flash操作API函数包括复位K9F1208、验证K9F1208的ID号、擦除K9F1208某一扇区、凑取K9F1208某一扇区数据和写入K9F1208某一扇区数据等函数。因为篇幅关系,只介绍页读取和页编程函数。
图6是读取K9F1208某一扇区或某一页的数据流程图。首先,开始向K9F1208发送页读取命令字0x00,使得K9F1208的命令寄存器接收到命令字;然后取得要读取扇区的地址,连续向K9F1208发送4个地址数据,发送完后读取K9F1208的R／B引脚的状态,直到K9F1208不忙(表示地址数据已接收完毕);K9F1208开始读取该地址所指的扇区,并向数据总线发送一个扇区的数据,此时读取K9F1208的数据总线,直到整页结束。
图7是写入K9F1208某一扇区或一页的数据流程图。首先向K9F1208发送页编程的命令字0x80,使得K9F1208的命令寄存器接收到命令字;然后取得要写入扇区的地址,连续向K9F1208发送4个地址数据,发送完后读取K9F1208的R／B引脚的状态,直到K9F1208不忙(表示地址数据已接收完毕);K9F1208准备从数据总线接收一个扇区的数据,此时向K9F1208的数据总线发送一个扇区的数据,让K9F1208接收数据,并存到相应的页或扇区中;待发送的数据结束后,向K9F1208发送0x10 命令,使得K9F1208结束页编程的操作;最后向K9F1208发送查询状态的命令字0x70,K9F1208接收到命令字后,就会向数据总线发送一个字节的数据,这时读取K9F1208的数据总线,若收到字节0x00,则表示操作成功,若收到字节0x01,则表示操作失败。
结 语
本文介绍了Samsung公司K9F1208芯片特点,并在此基础上设计了基于uPSD3234A的驱动设计。该方法对其他相关SoC中实现NAND Flash的控制方法设计有直接的参考意义,可广泛应用于需要大存储容量的低端设备中。
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