NAND Flash芯片K9F1208在uPSD3234A上的應用

1 NAND Flash和NOR Flash
閃存(Flash Memory)由于其具有非易失性、電可擦除性、可重復編程以及高密度、低功耗等特點，被廣泛地應用于手機、MP3、數(shù)碼相機、筆記本電腦等數(shù)據(jù)存儲設備中。NAND Flash和NOR Flash是目前市場上兩種主要的非易失閃存芯片。與NOR F1ash相比，NAND Flash在容量、功耗、使用壽命等方面的優(yōu)勢使其成為高數(shù)據(jù)存儲密度的理想解決方案。NOR Flash的傳輸效率很高，但寫入和擦除速度較低；而NAND Flash以容量大、寫速度快、芯片面積小、單元密度高、擦除速度快、成本低等特點，在非易失性類存儲設備中顯現(xiàn)出強勁的市場競爭力。
結構：NOR Flash為并行，NAND Flash為串行。
總線：NOR Flash為分離的地址線和數(shù)據(jù)線，而NANDFlash為復用的。
尺寸：典型的NAND Flash尺寸為NOR Flash尺寸的1／8。
壞塊：NAND器件中的壞塊是隨機分布的，需要對介質進行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標記為不可用。
位交換：NAND Flash中發(fā)生的次數(shù)要比NOR Flash多，建議使用NAND閃存時，同時使用EDC／ECC算法。
使用方法：NOR Flash是可在芯片內執(zhí)行(XIP，eXecute In Place)，應用程序可以直接在Flash閃存內運行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中；而NAND Flash則需I／O接口，因此使用時需要寫入驅動程序。
通過以上的分析和比較，NAND Flash更適合于大容量數(shù)據(jù)存儲的嵌入式系統(tǒng)。本設計選用Samsung公司生產(chǎn)的NAND Flash存儲器芯片K9F1208作為存儲介質，并應用在基于uPSD3234A增強型8051單片機的嵌入式系統(tǒng)中。

2 uPSD3234A簡介
uPSD3234A是由意法半導體公司生產(chǎn)的一款基于8052內核的增強型Flash單片機，其結構如圖1所示。該單片機包含1個帶8032微控制器的Flash PSD、2塊Flash存儲器、SRAM、通用I／O口可編程邏輯、管理監(jiān)控功能，并可實現(xiàn)USB、I2C、ADC、DAC和PWM功能。其中，片內8032微控制器，帶有2個標準異步通信口、3個16位定時／計數(shù)器、1個外部中斷以及JTAG ISP接口(用于在系統(tǒng)編程)，一般應用于手持設備、家用電器等領域中。

3 K9F1208介紹
K9Fl208是Samsumg公司生產(chǎn)的512Mb(64M8位)NAND Flash存儲器。該存儲器的工作電壓為2．7～3．6V，內部存儲結構為528字節(jié)32頁4096塊，頁大小為528字節(jié)，塊大小為(16KB+512字節(jié))；可實現(xiàn)程序自動擦寫、頁程序、塊擦除、智能的讀／寫和擦除操作，一次可以讀／寫或者擦除4頁或者塊的內容，內部有命令寄存器。如圖2所示，該器件按功能可以劃分為：存儲陣列、輸入／輸出緩沖、命令寄存器、地址譯碼寄存器和控制邏輯產(chǎn)生。其中，命令寄存器用來確定外部設備對存儲器進行操作的類型；地址譯碼寄存器用于保存被訪問的地址并產(chǎn)生相應的譯碼選通信號。主設備通過8位I／O端口分時復用訪問器件命令、地址和數(shù)據(jù)寄存器，完成對芯片內存儲器的訪問。

4 K9F1208讀／寫和擦除操作的實現(xiàn)
對于K9F1208的操作主要有頁讀取和頁編程操作。圖3是NAND Flash的標準頁讀取時序圖。具體的頁讀取操作如下：發(fā)命令階段，在片選信號CE有效的情況下，首先命令允許信號CLE有效，此時寫入信號WE有效，芯片準備好信號R／B置高，表示準備好；同時向I／O口發(fā)送讀操作命令(0xOO或OxO1)，表示是讀操作。發(fā)地址階段，此時片選有效，地址允許信號ALE有效，寫入信號WE保持有效，連續(xù)發(fā)送4個地址字；K9F1208的地址寄存器接收到地址值后，R／B信號將維持“忙”一段時間，此后R／B變?yōu)闇蕚浜脿顟B(tài)。最后是數(shù)據(jù)輸出階段，每次讀有效信號置低有效時，將會輸出一組數(shù)據(jù)。如此往復直到所有數(shù)據(jù)輸出完畢。

圖4是NAND Flash的標準頁編程時序圖。具體的頁編程操作如下：發(fā)命令階段，向I／O口發(fā)送頁編程操作第一個命令字(Ox80)，表示是頁編程操作。發(fā)地址階段，連續(xù)發(fā)送4個地址字，K9Fl208的地址寄存器接收到地址值后，等待接收數(shù)據(jù)；當數(shù)據(jù)總線發(fā)送數(shù)據(jù)后，K9F1208連續(xù)接收數(shù)據(jù)，直到接收到頁編程的第二個命令字(0x10)，即結束等待接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)；R/B信號將維持“忙”一段時間，此后R／B變?yōu)闇蕚浜脿顟B(tài)。最后總線上發(fā)出讀狀態(tài)命令字(Ox70)，則K9F1208的命令寄存器接收并響應該命令，向I／O口發(fā)送表示操作成功的狀態(tài)數(shù)據(jù)(Ox00)或表示操作失敗的狀態(tài)數(shù)據(jù)(OxO1)。

5 uPSD3234A與K9F1208的連接
5.1 硬件部分
uPSD33234A的數(shù)據(jù)總線DATAO～7直接連接到K9F1208的數(shù)據(jù)線上。K9F1208的讀／寫信號是直接通過uPSD3234A的讀／寫信號驅動的，K9F1208的ALE地址允許信號、CLE命令允許信號、片選使能信號分別由uPSD3324A的P43、P44、P45來控制，而K9F1208的R/B狀態(tài)輸出信號由uPSD3234A的P46來讀取。硬件連接如圖5所示。根據(jù)該硬件連接的情況，在驅動過程中，可以在uPSD3234A中定義一個無效地址，通過對該無效地址進行讀寫來控制WR和RD信號。

5．2 軟件部分
本設計的驅動程序包括基本的操作函數(shù)和Flash操作API函數(shù)?；镜牟僮骱瘮?shù)包括輸入命令值、輸入地址值、輸入數(shù)據(jù)值、讀取數(shù)據(jù)值和讀取狀態(tài)等函數(shù)。由于K9F1208是無地址的，故先定義一個外部存儲器的空地址來對它進行空寫和空讀。定義的語句為：

程序說明：賦予P4_5為O，使得CE信號成低電平，從而片選K9F1208有效；賦予P4_4為1，使得CLE信號成高電平，從而使K9F1208的命令允許信號有效；賦予P4_3為O，使得ALE信號成低電平，從而使K9F1208的地址允許信號無效；最后對rK9F1208DATA進行空寫命令字，使得WE信號成低電平，K9F1208的命令寄存器從數(shù)據(jù)總線接收到命令字，并執(zhí)行相應的操作。

程序說明：賦予P4_5為0，使得CE信號成低電平，從而片選K9F1208有效；賦予P4_4為O，使得CLE信號成低電平，從而使K9F1208的命令允許信號無效；賦予P4_3為1，使得ALE信號成高電平，從而K9F1208的地址允許信號有效；最后對rK9F1208DATA進行空寫地址字，使得WE的信號成低電平，K9F1208從數(shù)據(jù)總線接收到地址字，并鎖存到地址鎖存器中。

程序說明：賦予P4_5為0，使得CE信號成低電平，從而片選K9F11208有效；賦予P4_4為O，使得CLE信號成低電平，從而使K9F1208的命令允許信號無效；賦予P4_3為0，使得ALE信號成低電平，從而使。K9F1208的地址允許信號無效；最后對rK9F1208DATA進行空寫數(shù)據(jù)，使得WE的信號成低電平，K9F1208從數(shù)據(jù)總線接收到數(shù)據(jù)，并根據(jù)命令寄存器和地址鎖存器來處理接收到的數(shù)據(jù)。

程序說明：賦予P4_5為0，使得CE信號成低電平，從而片選K9F1208有效；賦予P4_4為O，使得CLE信號成低電平，從而K9F1208的命令允許信號無效；賦予P4_3為O，使得ALE信號成低電平，從而使。K9Fl208的地址允許信導無效；最后對rK9F1208DATA進行空讀數(shù)據(jù)，使得RE的信號成低電平，K9F1208會根據(jù)命令寄存器和地址鎖存器來向數(shù)據(jù)總線發(fā)送相應的數(shù)據(jù)。

程序說明：只是讀取P4_6的狀態(tài)，以判斷K9F1208是否“忙”。如果P4_6為高電平，則表示K9F1208不忙，返回高電平；如果P4_6為低電平，則表示K9Fl208“忙”，返回高電平。
為了臺理地操作K9F1208，還添加了不選中K9F1208的函數(shù)，以便在頁讀取和頁編程操作后，使K9F1208不工作。程序只是讓P4_5、P4_4、P4_3為低電平，從而使得K9F1208的片選信號、命令允許信號、地址允許信號無效。
宏定義語句如下：
#define flash_inactive(){P4_5=0；P4_4=0；P4_3=0；}
Flash操作API函數(shù)包括復位K9F1208、驗證K9F1208的ID號、擦除K9F1208某一扇區(qū)、讀取K9F1208某一扇區(qū)數(shù)據(jù)和寫入K9F1208某一扇區(qū)數(shù)據(jù)等函數(shù)。因為篇幅關系，只介紹頁讀取和頁編程函數(shù)。
圖6是讀取K9F1208某一扇區(qū)或某一頁的數(shù)據(jù)流程圖。首先，開始向K9F1208發(fā)送頁讀取命令字Ox00，使得K9F1208的命令寄存器接收到命令字；然后取得要讀取扇區(qū)的地址，連續(xù)向K9F1208發(fā)送4個地址數(shù)據(jù)，發(fā)送完后讀取K9F1208的R/B引腳的狀態(tài)，直到K9F1208不忙(表示地址數(shù)據(jù)已接收完畢)；K9F1208開始讀取該地址所指的扇區(qū)，并向數(shù)據(jù)總線發(fā)送一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)，此時讀取K9F1208的數(shù)據(jù)總線，直到整頁結束。

圖7是寫入K9F1208某一扇區(qū)或一頁的數(shù)據(jù)流程圖。首先向K9F1208發(fā)送頁編程的命令字Ox80，使得K9F1208的命令寄存器接收到命令字；然后取得要寫入扇區(qū)的地址，連續(xù)向K9F1208發(fā)送4個地址數(shù)據(jù)，發(fā)送完后讀取K9F1208的R／B引腳的狀態(tài)，直到K9F1208不忙(表示地址數(shù)據(jù)已接收完畢)；K9F1208準備從數(shù)據(jù)總線接收一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)，此時向K9F1208的數(shù)據(jù)總線發(fā)送一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)，讓K9F1208接收數(shù)據(jù)，并存到相應的頁或扇區(qū)中；待發(fā)送的數(shù)據(jù)結束后，向K9F1208發(fā)送Oxl0命令，使得K9F1208結束頁編程的操作；最后向K9F1208發(fā)送查詢狀態(tài)的命令字Ox70，K9F1208接收到命令字后，就會向數(shù)據(jù)總線發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，這時讀取K9F1208的數(shù)據(jù)總線，若收到字節(jié)Ox00，則表示操作成功，若收到字節(jié)0x01，則表示操作失敗。

結語
本文介紹了Samsung公司K9F1208芯片特點，并在此基礎上設計了基于uPSD3234A的驅動設計。該方法對其他相關SoC中實現(xiàn)NAND Flash的控制方法設計有直接的參考意義，可廣泛應用于需要大存儲容量的低端設備中。