ANR问题解析（二）：程序等待原理分析
一、NAND_FLASH操作原理
img
NAND FLASH原理图
NAND FLASH是一个存储芯片
那么: 这样的操作很合理"读地址A的数据，把数据B写到地址A"
问1. 原理图上NAND FLASH和S3C2440之间只有数据线，怎么传输地址？
答1．在DATA0～DATA7上既传输数据，又传输地址当ALE为高电平时传输的是地址，
那么在数据线上是不是只传输数据和只传输地址呢？
我们参考NAND FLASH的芯片手册可以知道，对NAND FLASH的操作还需要发出命令，下面有个NAND FLASH的命令表格
img
问2. 从NAND FLASH芯片手册可知，要操作NAND FLASH需要先发出命令怎么传入命令？
答2．在DATA0～DATA7上既传输数据，又传输地址，也传输命令：
- 当ALE为高电平时传输的是地址。
- 当CLE为高电平时传输的是命令。
- 当ALE和CLE都为低电平时传输的是数据。
问3. 数据线既接到NAND FLASH，也接到NOR FLASH，还接到SDRAM、DM9000等等
那么怎么避免干扰？
答3. 这些设备，要访问之必须"选中"，没有选中的芯片不会工作，相当于没接一样。
问4. 假设烧写NAND FLASH，把命令、地址、数据发给它之后，NAND FLASH肯定不可能瞬间完成烧写的，怎么判断烧写完成？
答4. 通过状态引脚RnB来判断：它为高电平表示就绪，它为低电平表示正忙
问5. 怎么操作NAND FLASH呢？
答5. 根据NAND FLASH的芯片手册，一般的过程是：
- 发出命令
- 发出地址
- 发出数据/读数据
看上面的命令表格，不容易看，我们看一下读ID的时序图，
img
每个NAND FLASH都内嵌一些ID(譬如：厂家ID，设备ID)，时序图从左往右看，纵向放是一列一列的看。
对于s3c2440来说，内部集成了一个NAND FLASH控制器，2440和外设连接的简易图，如下图所示
img
NAND FLASH控制器，帮我们简化了对NAND FLASH的操作，下面来分析一下不使用NAND FLASH控制器和使用NAND FLASH控制器对外设NAND FLASH的操作
发命令：
| NAND FLASH | S3C2440 |
|---|---|
| 选中芯片 | NFCMMD=命令值 |
| CLE设为高电平 | |
| 在DATA0~DATA7上输出命令值 | |
| 发出一个写脉冲 |
发地址：
| NAND FLASH | S3C2440 |
|---|---|
| 选中芯片 | NFADDR=地址值 |
| ALE设为高电平 | |
| 在DATA0~DATA7上输出地址值 | |
| 发出一个写脉冲 |
发数据：
| NAND FLASH | S3C2440 |
|---|---|
| 选中芯片 | NFDATA=数据值 |
| ALE,CLE设为低电平 | |
| 在DATA0~DATA7上输出数据值 | |
| 发出一个写脉冲 |
读数据 ：
| NAND FLASH | S3C2440 |
|---|---|
| 选中芯片 | val=NFDATA |
| 发出读脉冲 | |
| 读DATA0~DATA7的数据 |
用UBOOT来体验NAND FLASH的操作：
1.读ID
| S3C2440 | u-boot | |
|---|---|---|
| 选中 | NFCONT的bit1设为0 | md.l 0x4E000004 1; mw.l 0x4E000004 1 |
| 发出命令0x90 | NFCMMD=0x90 | mw.b 0x4E000008 0x90 |
| 发出地址0x00 | NFADDR=0x00 | mw.b 0x4E00000C 0x00 |
| 读数据得到0xEC | val=NFDATA | md.b 0x4E000010 1 |
| 读数据得到device code | val=NFDATA | md.b 0x4E000010 1 |
| 退出读ID的状态 | NFCMMD=0xff | mw.b 0x4E000008 0xff |
下图是读操作时序图
img
对于存储为256M的NAND FLASH，需要28条地址线，来表示这个地址值，根据原理图可以，只用8根地址线，所以需要4个周期的地址，为了兼容更大容量的NAND FLASH，要发出5个周期的地址：（如下图所示）
1.读数据
| S3C2440 | u-boot | |
|---|---|---|
| 选中 | NFCONT的bit1设为0 | md.l 0x4E000004 1; mw.l 0x4E000004 1 |
| 发出命令0x00 | NFCMMD=0x00 | mw.b 0x4E000008 0x00 |
| 发出地址0x00 | NFCMMD=0x00 | mw.b 0x4E00000C 0x00 |
| 发出地址0x00 | NFCMMD=0x00 | mw.b 0x4E00000C 0x00 |
| 发出地址0x00 | NFCMMD=0x00 | mw.b 0x4E00000C 0x00 |
| 发出地址0x00 | NFCMMD=0x00 | mw.b 0x4E00000C 0x00 |
| 发出地址0x00 | NFCMMD=0x00 | mw.b 0x4E00000C 0x00 |
| 发出命令0x30 | NFCMMD=0x30 | mw.b 0x4E000008 0x30 |
| 读数据得到0x17 | val=NFDATA | md.b 0x4E000010 1 |
| 读数据得到0x00 | val=NFDATA | md.b 0x4E000010 1 |
| 读数据得到0x00 | val=NFDATA | md.b 0x4E000010 1 |
| 读数据得到0xea | val=NFDATA | md.b 0x4E000010 1 |
| 退出读状态 | NFCMMD=0xff | mw.b 0x4E000008 0xff |
二、NandFlash时序及初始化
| 存储芯片的编程 | NAND FLASH存储芯片编程 |
|---|---|
| 初始化 | 主控芯片的NAND FLASH控制器的初始化 |
| 识别 | 读取ID |
| 读操作 | 一次读一个页(page) |
| 写操作 | 一次写一个页(page) |
| 擦除 | 一次擦除一个块(block) |
NAND FLASH控制器的时序，是为了让NAND FLASH外设工作起来，假如外接不同的NAND FLASH外设，那么它的操作时序可能就会不同，所以NAND FLASH控制器发出的时序图，就是不一样的，所以我们根据NAND FLASH外设来设置NAND FLASH控制器。
img
NAND FLASH时序图，如下所示：
img
img
img
我们在汇编语言中已经设置HCLK为100MHZ，一个周期T = 1000/100 = 10s，通过上面三个图可以知道：TACLS的值可以为0；TWRPH0的值可以为1；TWRPH1的值可以为0。
img
所以NFCONF寄存器设置如下
#define TACLS 0
#define TWRPH0 1
#define TWRPH1 0
/*设置NAND FLASH的时序*/
NFCONF = (TACLS<<12) | (TWRPH0<<8) | (TWRPH1<<4);
到此设置NAND FLASH的时序已经设置完了，我们接着来使能，使能实在NFCONT。
img
MODE [0]: 设置为1，使能NAND FLASH。
Reg_nCE [1]: 设置为1，禁止片选。因为我们现在还没有使用。为例错误的操作。
InitECC [4]: 初始化ECC的编码器，后边要使用，我们设置为1，来初始化。
所以NFCONF寄存器设置如下：
/*使能NAND FLASH控制器,初始化ECC，禁止片选*/
NFCONT = (1<<4) | (1<<1) | (1<<0);
三、NandFlash的芯片id读取
参考NAND FLASHh的芯片手册，如下图所示：（NAND FLASH读操作时序图）
img
一般先操作片选使能，只有片选使能之后才能进行后边的操作，片选是能代码如下：
void nand_select(void)
{
/*使能片选*/
NFCONT &=~(1<<1);
}
有使能片选，一定有禁止片选，禁止片选的代码如下：
void nand_deselect(void)
{
/*禁止片选*/
NFCONT |= (1<<1);
}
读ID的操作时序图，如下所示
img
按照从左往右的时间点，来分析，片选信号像一个总开关，只有使能了片选信号，后续的操作才会有意义，我们使能片选信号之后，片选引脚nCE后续一直为低电平，在前面的命令时序图中知道tCLS和tWP最小的时间参数都是12us，就表明CLE和nWE这两个信号可以同时发出，就表示要命令了，对于写什么命令，就要看数据总线上要发送的命令了，当CLE从高电平变为低电平后，表示上次的写操作已经结束了。
对于上面复杂的时序，我们可以使用2440上的NAND FLASH控制器简化操作，只需要往NFCMMD寄存器写入要传输的命令就可以了，NAND FLASH控制器默认把上面复杂的时序发出来。
发命令后，后面就需要发送地址了，当nWE和ALE有效的时候，表示写地址，上图中，要写入的地址是0x00，当ALE从高电平变为低电平的时候，表示写地址结束，我们可以简化为:往NFADDR寄存器中写值就可以了，比如：NFADDR=0x00。
下面写代码：发命令的函数，和发地址的函数代码如下：
void nand_cmd(unsigned char cmd)
{
volatile int i;
NFCCMD = cmd;
for(i=0; i<10; i++);
}
void nand_addr_byte(unsigned char addr)
{
volatile int i;
NFADDR = addr;
for(i=0; i<10; i++);
}
接下来就可以读取数据了，数据可以直接通过读取NFDATA寄存器里面数据来获得数据，根据时序图，是读5个字节的数据，代码如下：
unsigned char nand_data(void)
{
return NFDATA;
}
读芯片ID之前先打开片选， 读取芯片ID函数，代码如下：
void nand_chip_id(void)
{
unsigned char buf[5]={0};
nand_select();
nand_cmd(0x90);
nand_addr_byte(0x00);
buf[0] = nand_data();
buf[1] = nand_data();
buf[2] = nand_data();
buf[3] = nand_data();
buf[4] = nand_data();
nand_deselect();
printf("maker id = 0x%x\n\r",buf[0]);
printf("device id = 0x%x\n\r",buf[1]);
printf("3rd byte = 0x%x\n\r",buf[2]);
printf("4th byte = 0x%x\n\r",buf[3]);
printf("page size = %d kb\n\r",1 << (buf[3] & 0x03));
printf("block size = %d kb\n\r",64 << ((buf[3] >> 4) & 0x03));
printf("5th byte = 0x%x\n\r",buf[4]);
}
下面再写一个打印菜单的函数，在菜单中调用读取芯片ID的函数，代码如下:
void nand_flash_test(void)
{
char c;
while (1)
{
/* 打印菜单, 供我们选择测试内容 */
printf("[s] Scan nand flash\n\r");
printf("[e] Erase nand flash\n\r");
printf("[w] Write nand flash\n\r");
printf("[r] Read nand flash\n\r");
printf("[q] quit\n\r");
printf("Enter selection: ");
c = getchar();
printf("%c\n\r", c);
/* 测试内容:
* 1. 识别nand flash
* 2. 擦除nand flash某个扇区
* 3. 编写某个地址
* 4. 读某个地址
*/
switch (c)
{
case 'q':
case 'Q':
return;
break;
case 's':
case 'S':
nand_chip_id();
break;
case 'e':
case 'E':
break;
case 'w':
case 'W':
break;
case 'r':
case 'R':
break;
default:
break;
}
}
在主函数中调用nand flash的初始化函数，和nand flash的测试函数。
int main(void)
{
led_init();
//interrupt_init(); /* 初始化中断控制器 */
key_eint_init(); /* 初始化按键, 设为中断源 */
//timer_init();
puts("\n\rg_A = ");
printHex(g_A);
puts("\n\r");
//nor_flash_test();
nand_init();
nand_flash_test();
return 0;
}
四、NandFlash的数据读取
在上节 我们实现了芯片ID的读取，可是那个程序已经超过了4k，我们想把它烧到开发板的话，必需把它烧写到NOR FLASH上去，这节我们来讲解NAND FLASH数据的读取，并且实现超过4k的程序从NAND FLASH启动。
下图为NAND FLASH内部结构图，从图中可以可以知道，一个page含有2k 字节的页数据，和64字节的oob区，后面会介绍页数据和oob区有什么关系。
img
图的表格，来说明NAND FLASH内部结构，前面2K(02047)表示页数据，后边64字节(20482111)表示oob。
img
问：CPU想读取，第2048个数据，它是哪以一个？
答：是Page1的第0个字节。CPU使用某个地址访问数据的时候，是在页数据空间来寻址的，根本就看不到oob区。
我们知道NAND FLASH 和 NOR FLASH相比有个缺点，NAND FLASH读或写一页数据的时候，可能会发生位反转，里面可能有一位是错误的，为了解决这个问题，引入oob区，
它写页数据的时候，把数据写进页数据的同时会生成一个校验码，把这个校验码写进oob区里面，当读数据的时候，读出1页数据，读取1数据里面有可能有某一位发生错误，它继续读出原来的校验码，使用oob区里面的校验码，来修正页数据里面的数据。从这里我们可以得出一个结论，oob区的存在是为了解决NAND FLASH的缺陷而存在的。
CPU: 只关心数据，不需要看到oob区的校验码(把数据读出来，然后进行校验再把正确的数据返回，就可以了)。CPU想使用某个addr来访问数据的时候，addr是在页数据区间来寻址的，addr根本不会在oob区里面寻址。
为了形象在下面说一个幽默的对话来说明一下CPU和NAND FLASH的功能：
CPU大爷: 小nand啊，你的性能比不上小nor啊，听说你有位反转的毛病
Nand : 是的，大爷，位反转是我天生的毛病，时有时无
CPU大爷:靠，你说你价格便宜容量大，这不是害我嘛
Nand : 没事，我有偏方，用OOB就可以解决这问题
CPU大爷:得得得，你那偏方是什么也别告诉我，我只管能读写正确的数据
Nand : 是的，大爷，我这OOB偏方也就我自个私下使用。您就像使用nor一样使唤我就可以了。
下图为读NAND FLASH的时序操作：
img
读NAND FLASH步骤：(从程序的角度来说)，我们需要先发出00命令再发出5个周期的地址，再发出30命令，然后就可以读数据了。比如：我想访问某个地址的数据，需要确定在哪一行page(row)，在哪一列col(0~2047)。从NAND FLASH的地址周期中可以看出来，先发出2个col(列地址)，再发出3个(Row)行地址。
下面是程序的编写：
img
wait_ready函数等待NAND FLASHh空闲，从上图可以看出当NFSTAT寄存器[0]的值为1时NAND FLASH是空闲的，我们可以通过该位来判断NAND FLASH是否繁忙。代码如下：
void wait_ready(void)
{
while (!(NFSTAT & 1));
}
nand_read函数为NAND FLASH的读函数，代码如下：
void nand_read(unsigned int addr, unsigned char *buf, unsigned int len)
{
int i = 0;
int page = addr / 2048;
int col = addr & (2048 - 1);
nand_select();
while (i < len)
{
/* 发出00h命令 */
nand_cmd(00);
/* 发出地址 */
/* col addr */
nand_addr_byte(col & 0xff);
nand_addr_byte((col>>8) & 0xff);
/* row/page addr */
nand_addr_byte(page & 0xff);
nand_addr_byte((page>>8) & 0xff);
nand_addr_byte((page>>16) & 0xff);
/* 发出30h命令 */
nand_cmd(0x30);
/* 等待就绪 */
wait_ready();
/* 读数据 */
for (; (col < 2048) && (i < len); col++)
{
buf[i++] = nand_data();
}
if (i == len)
break;
col = 0;
page++;
}
nand_deselect();
}
在init.c文件中，加上如下代码，用来判断所使用的FLASH是NOR FLASH还是NAND FLASH。代码如下：
int isBootFromNorFlash(void)
{
volatile unsigned int *p = (volatile unsigned int *)0;
unsigned int val = *p;
*p = 0x12345678;
if (*p == 0x12345678)
{
/* 写成功, 对应nand启动 */
*p = val;
return 0;
}
else
{
return 1;
}
}
在init.c文件中的copy2sdram函数里面加上如下代码，用来支持NAND FLASH启动，当isBootFromNorFlash函数的返回值为1时，是从NOR FLASH启动，当isBootFromNorFlash函数的返回值为0是，是从NAND FLASH启动。
if (isBootFromNorFlash())
{
while (dest < end)
{
*dest++ = *src++;
}
}
else
{
nand_init();
nand_read(src, dest, len);
}
}
五、NandFlash的擦除与烧写
我们本节需要做的事情：
-
实现nand_erase
-
实现nand_write
-
实现测试菜单
下面我们逐个来实现他们：
本节讲的NAND FLASH的烧写和擦除还是比较简单的，它只涉及到页数据区，不涉及到oob区，擦出的时候是以块为单位。下图为擦除的时序图：
img
我们就根据擦除的时序图发出对应的命令和地址，NAND FLASH是以块为单位进行擦除的，假如我们传入len的值为1，但是它仍然会擦出一个块（128k字节），我们根据芯片手册，来操作NAND FLASH的擦出操作，函数功能：从addr地址开始，擦除len长度的数据。代码如下：
int nand_erase(unsigned int addr, unsigned int len)
{
int page = addr / 2048;
if (addr & (0x1FFFF))
{
printf("nand_erase err, addr is not block align\n\r");
return -1;
}
if (len & (0x1FFFF))
{
printf("nand_erase err, len is not block align\n\r");
return -1;
}
nand_select();
while (1)
{
page = addr / 2048;
nand_cmd(0x60);
/* row/page addr */
nand_addr_byte(page & 0xff);
nand_addr_byte((page>>8) & 0xff);
nand_addr_byte((page>>16) & 0xff);
nand_cmd(0xD0);
wait_ready();
len -= (128*1024);
if (len == 0)
break;
addr += (128*1024);
}
nand_deselect();
return 0;
}
操作NAND FLASH之前要，选中芯片，然后就可以根据芯片手册来操作NAND FLASH的擦除操作了，操作完之后，要取消片选。
往NAND FLASH写数据时，只需要把要写的数据复制给NFDATA寄存器即可。代码如下
void nand_w_data(unsigned char val)
{
NFDATA = val;
}
下图为烧写的时序图：
img
从上图中的NAND FLASH烧写时序图可以知道对于NAND FLASH的烧写，先发出0x80命令，再发出地址周期，然后发出要烧写的数据，最后发出0x10，就开始内部烧写，然后等待烧写成功。（我们写数据的时候是逐页写的，开始要烧写的数据地址可能不是该页的起始地址）。操作之前需要选中片选，操作完之后取消片选，代码如下:
void nand_write(unsigned int addr, unsigned char *buf, unsigned int len)
{
int page = addr / 2048;
int col = addr & (2048 - 1);
int i = 0;
nand_select();
while (1)
{
nand_cmd(0x80);
/* 发出地址 */
/* col addr */
nand_addr_byte(col & 0xff);
nand_addr_byte((col>>8) & 0xff);
/* row/page addr */
nand_addr_byte(page & 0xff);
nand_addr_byte((page>>8) & 0xff);
nand_addr_byte((page>>16) & 0xff);
/* 发出数据 */
for (; (col < 2048) && (i < len); )
{
nand_w_data(buf[i++]);
}
nand_cmd(0x10);
wait_ready();
if (i == len)
break;
else
{
/* 开始下一个循环page */
col = 0;
page++;
}
}
nand_deselect();
}
我们封装擦除操作NAND FLASH函数的时候，每一次擦除的大小是一个块(128*1024)代码如下：
void do_erase_nand_flash(void)
{
unsigned int addr;
/* 获得地址 */
printf("Enter the address of sector to erase: ");
addr = get_uint();
printf("erasing ...\n\r");
nand_erase(addr, 128*1024);
}
我们封装读取操作NAND FLASH函数，我们实现NAND FLASH每次的读取，每次读取64字节数据。把从地址addr读取得到的64字节数据存放到buf缓冲区中，然后通过串口显示出来，代码如下图所示：
void do_read_nand_flash(void)
{
unsigned int addr;
volatile unsigned char *p;
int i, j;
unsigned char c;
unsigned char str[16];
unsigned char buf[64];
/* 获得地址 */
printf("Enter the address to read: ");
addr = get_uint();
nand_read(addr, buf, 64);
p = (volatile unsigned char *)buf;
printf("Data : \n\r");
/* 长度固定为64 */
for (i = 0; i < 4; i++)
{
/* 每行打印16个数据 */
for (j = 0; j < 16; j++)
{
/* 先打印数值 */
c = *p++;
str[j] = c;
printf("%02x ", c);
}
printf(" ; ");
for (j = 0; j < 16; j++)
{
/* 后打印字符 */
if (str[j] < 0x20 || str[j] > 0x7e) /* 不可视字符 */
putchar('.');
else
putchar(str[j]);
}
printf("\n\r");
}
}
NAND FLASH的烧写封装函数代码如下：
void do_write_nand_flash(void)
{
unsigned int addr;
unsigned char str[100];
int i, j;
unsigned int val;
/* 获得地址 */
printf("Enter the address of sector to write: ");
addr = get_uint();
printf("Enter the string to write: ");
gets(str);
printf("writing ...\n\r");
nand_write(addr, str, strlen(str)+1);
}
NAND FLASH的测试菜单函数代码如下：
void nand_flash_test(void)
{
char c;
while (1)
{
/* 打印菜单, 供我们选择测试内容 */
printf("[s] Scan nand flash\n\r");
printf("[e] Erase nand flash\n\r");
printf("[w] Write nand flash\n\r");
printf("[r] Read nand flash\n\r");
printf("[q] quit\n\r");
printf("Enter selection: ");
c = getchar();
printf("%c\n\r", c);
/* 测试内容:
* 1. 识别nand flash
* 2. 擦除nand flash某个扇区
* 3. 编写某个地址
* 4. 读某个地址
*/
switch (c)
{
case 'q':
case 'Q':
return;
break;
case 's':
case 'S':
nand_chip_id();
break;
case 'e':
case 'E':
do_erase_nand_flash();
break;
case 'w':
case 'W':
do_write_nand_flash();
break;
case 'r':
case 'R':
do_read_nand_flash();
break;
default:
break;
}
}
}
