NAND Flash芯片K9F1208在μPSD3234A上的应用
2010-12-20 15:21:57
来源：大比特资讯
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、写入速度快、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优势和市场竞争力。
1.1 结构：NOR Flash为并行，NAND Flash为串行。
1.2总线：NOR Flash为分离的地址线和数据线，而NANDFlash为复用的。
1.3 尺寸：典型的NAND Flash尺寸为NOR Flash尺寸的1/8。
1.4 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。
1.5 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。
1.6 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. μPSD3234A简介
μPSD3234A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. μPSD3234A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μPSD3234A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。
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、写入速度快、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优势和市场竞争力。
1.1 结构：NOR Flash为并行，NAND Flash为串行。
1.2总线：NOR Flash为分离的地址线和数据线，而NANDFlash为复用的。
1.3 尺寸：典型的NAND Flash尺寸为NOR Flash尺寸的1/8。
1.4 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。
1.5 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。
1.6 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. μPSD3234A简介
μPSD3234A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. μPSD3234A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μPSD3234A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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