大容量NAND Flash TC58DVG02A1FT00在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：嵌入式 NAND Flash Linux 內(nèi)核 TC58DVG02A1F00
1 NAND和NOR flash
目前市場(chǎng)上的flash從結(jié)構(gòu)上大體可以分為AND、NAND、NOR和DiNOR等幾種。其中NOR和DiNOR的特點(diǎn)為相對(duì)電壓低、隨機(jī)讀取快、功耗低、穩(wěn)定性高，而NAND和AND的特點(diǎn)為容量大、回寫速度快、芯片面積小。現(xiàn)在，NOR和NAND FLASH的應(yīng)用最為廣泛，在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards、MMC存儲(chǔ)卡以及USB閃盤存儲(chǔ)器市場(chǎng)都占用較大的份額。
NOR的特點(diǎn)是可在芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP，eXecute In Place），這樣應(yīng)該程序可以直接在flash內(nèi)存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR的傳輸效率很高，但寫入和探險(xiǎn)速度較低。而NAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，并且寫入和擦除的速度也很快，是高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度的最佳選擇。這兩種結(jié)構(gòu)性能上的異同步如下：
*NOR的讀速度比NAND稍快一些。
*NAND的寫入速度比NOR快很多。
*NAND的擦除速度遠(yuǎn)比NOR快。
*NAND的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路也更加簡(jiǎn)單。
*NAND閃存中每個(gè)塊的最大擦寫次數(shù)量否萬(wàn)次，而NOR的擦寫次數(shù)是十萬(wàn)次。
此外，NAND的實(shí)際應(yīng)用方式要比NOR復(fù)雜得多。NOR可以直接使用，并在上面直接運(yùn)行代碼。而NAND需要I/O接口，因此使用時(shí)需要驅(qū)動(dòng)程序。不過(guò)當(dāng)今流行的操作系統(tǒng)對(duì)NAND Flash都有支持，如風(fēng)河（擁有VxWorks系統(tǒng)）、微軟（擁有WinCE系統(tǒng)）等公司都采用了TrueFFS驅(qū)動(dòng)，此外，Linux內(nèi)核也提供了對(duì)NAND Flash的支持。
2 大容量存儲(chǔ)器TC58DCG02A1FT00
2．1 引腳排列和功能
TC58DVG02A 1FT00是Toshiba公司生產(chǎn)的1Gbit(128M×8Bit)CMOS NAND E2PROM，它的工作電壓為3.3V，內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)為528 bytes×32pages×8192blocks。而大小為528字節(jié)，塊大小為（16k+512）字節(jié)。其管腳排列如圖1所示。各主要引腳如下：
I/O1~I/O8：8個(gè)I/O口；
CE：片選信號(hào)，低電平有效；
WE：寫使能信號(hào)，低電平有效；
RE：讀使能信號(hào)，低電平有效；
CLE：命令使能信號(hào)；
ALE：地址使能信號(hào)；
WP：寫保護(hù)信號(hào)，低電平有效；
RY/BY：高電平時(shí)為READY信號(hào)，低電平時(shí)為BUSY信號(hào)。
2．2 與ARM處理器的連接
當(dāng)前嵌入式領(lǐng)域的主流處理器當(dāng)屬ARM。圖2是以ARM7處理器為例給出的NAND Flash與ARM處理器的一般連接方法。如前所述，與NOR Flash不同，NAND Flash需要驅(qū)動(dòng)程序才能正常工作。
圖中PB4，PB5，PB6是ARM處理器的GPIO口，可用來(lái)控制NAND Flash的片選信號(hào)。CS1是處理器的片選信號(hào)，低電平有效。IORD、IOWR分別是處理器的讀、寫信號(hào)，低電平有效。寫保護(hù)信號(hào)在本電路中沒有連接。
2．3 具體操作
地址輸入，命令輸入以及數(shù)據(jù)的輸入輸出，都是通過(guò)NAND Flash的CLE、ALE、CE、WE、RE引腳控制的。具體方式如表1所列。
表1 邏輯表
| CLE | ALE | CE | WE | RE | |
| 命令輸入 | 1 | 0 | 0 | 時(shí)鐘上升沿 | 1 |
| 數(shù)據(jù)輸入 | 0 | 0 | 0 | 時(shí)鐘上升沿 | 1 |
| 地址輸入 | 0 | 1 | 0 | 時(shí)鐘上升沿 | 1 |
| 串行數(shù)據(jù)輸出 | 0 | 0 | 0 | 1 | 時(shí)鐘下降沿 |
| 待機(jī)狀態(tài) | X | X | 1 | X | X |
NAND Flash芯片的各種工作模式，如讀、復(fù)位、編程等，都是通過(guò)命令字來(lái)進(jìn)行 控制的。部分命令如表2所列。
表2 命令表
| 第一周期（Hex） | 第二周期（Hex） | |
| 串行數(shù)據(jù)輸入 | 80 | 無(wú) |
| 讀模式1 | 00 | 無(wú) |
| 讀模式2 | 01 | 無(wú) |
| 讀模式3 | 50 | 無(wú) |
| 復(fù)位 | FF | 無(wú) |
| 自動(dòng)編程（真） | 10 | 無(wú) |
| 自動(dòng)編程（假） | 11 | 無(wú) |
| 自動(dòng)塊刪除 | 60 | D0 |
| 狀態(tài)讀取1 | 70 | 無(wú) |
| 狀態(tài)讀取2 | 71 | 無(wú) |
| ID讀取1 | 90 | 無(wú) |
| ID讀取2 | 91 | 無(wú) |
串行數(shù)據(jù)輸入的命令80表示向芯片的IO8、IO7、IO6、IO5、IO4、IO3、IO2、IO1口發(fā)送0x80，此時(shí)除IO8為1外，其余IO口均為低電平。
2．4 時(shí)序分析及驅(qū)動(dòng)程序
下面以表2中的讀模式1為例分析該芯片的工作時(shí)序。由圖3可知，CLE信號(hào)有效時(shí)通過(guò)IO口向命令寄存器發(fā)送命令00H。此時(shí)NAND Flash處于寫狀態(tài)，因此WE有鏟，RE無(wú)效。發(fā)送命令后，接著發(fā)送要讀的地址，該操作將占用WE的1、2、3、4個(gè)周期。注意，此時(shí)發(fā)送的是地址信息，因此CLE為低，而ALE為高電平。當(dāng)信息發(fā)送完畢后，不能立刻讀取數(shù)據(jù)，因?yàn)樾酒藭r(shí)處于BUSY（忙）狀態(tài)，需要等待2~20ms。之后，才能開始真正的數(shù)據(jù)讀取。此時(shí)WE為高電平而處于無(wú)效狀態(tài)，同時(shí)CE片選信號(hào)也始終為低以表明選中該芯片。
這段時(shí)序的偽代碼如下：
Read_func(cmd,addr)
{
RE=1;
ALE=0;
CLE=1;
WE=0;
CE=0;
Send_cmd(cmd);//發(fā)送命令，由參數(shù)決定，這里為00
WE=1； //上升沿取走命令
CE=1；
CLE=0； //發(fā)送命令結(jié)束
ALE=1； //開始發(fā)送地址
For(i=0;i<4;i++)
{
WE=0;
CE=0;
Send_add(addr);//發(fā)送地址
WE=1； /上升沿取走地址
CE=1；
}
//所有數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束，等待讀取數(shù)據(jù)
CE=0；
WE=1；
ALE=0；
Delay(2ms);
While(BUSY)
Wait;//如果還忙則繼續(xù)等待
Read_data(buf);//開始讀取數(shù)據(jù)
}
3 Linux系統(tǒng)對(duì)NAND Flash的支持
Linux操作系統(tǒng)雖然已經(jīng)支持NAND Flash，但要使用NAND Flash設(shè)備，還必須先對(duì)內(nèi)核進(jìn)行設(shè)置方法如下：
（1）在/usr/src/(內(nèi)核路徑名)目錄中輸入make menuconfig命令，再打開主菜單，進(jìn)入Memory Technology Devices(MTD)選項(xiàng)，選中MTD支持。
（2）進(jìn)入NAND Flash Device Drivers選項(xiàng)，NAND設(shè)備進(jìn)行配置。不過(guò)此時(shí)對(duì)NAND的支持僅限于Linux內(nèi)核自帶的驅(qū)勸程序，沒有包含本文介紹的Toshiba芯片，為此需要對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行修改，方法如下：
（1）修改內(nèi)核代碼的drivers.in文件，添加下面一行：
dep-tristate 'Toshiba NAND Device Support'CONFIG-MTD-TOSHIBA $CONFIG-MTD
其中CONFIG-MTD-TOSHIBA是該設(shè)備的名稱，將在Makefile文件中用到。
$CONFIG-MTD的意思是只有選有$CONFIG-MTD時(shí)，該菜單才會(huì)出現(xiàn)，即依賴于$CONFIG-MTD選項(xiàng)。宋，Toshiba的NAND設(shè)備將被加入Linux系統(tǒng)內(nèi)核菜單中。
（2）修改相應(yīng)的Makefile文件，以便編譯內(nèi)核時(shí)能加入該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。
obj-$(CONFIG-MTD-TOSHIBA)+=toshiba.o
此行語(yǔ)句的意思是如果選擇了該設(shè)備，編譯內(nèi)核時(shí)加入toshiba.o（假設(shè)驅(qū)動(dòng)程序是toshiba.o），反之不編譯進(jìn)內(nèi)核。
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