本文以三星公司的 K9F2808UOB芯片 为例,介绍了NAND Flash的接口电路与驱动的设计方法。文中介绍了开发NAND Flash驱动基本原理，意在简化嵌入式系统开发过程。
1 NAND Flash工作原理
S3C2410板的NAND Flash支持由两部分组成：集成在S3C2410 CPU
CPU也称为中央处理器，是电子计算机的主要设备之一。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。所谓的计算机的可编程性主要是指对CPU的编程。CPU是计算机中的核心配件，只有火柴盒那么大，几十张纸那么厚，但它却是一台计算机的运算核心和控制核心。计算机中所有操作都由CPU负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。CPU、内部存储器和输入/输出设备是电子计算机的三大核心部件。
上的NAND Flash控制器
和NAND Flash存储芯片。要访问NAND Flash中的数据,必须通过NAND Flash控制器发送命令才能完成。所以, NAND Flash相当于S3C2410的一个外设,并不位于它的内存内存
内存的正式叫法是内存储器，以此来与外存储器区分开。物理上它安装在计算机内部，通常安装在主板上，所以称为内存。它的作用是供暂时存储处理器需要处理的数据或处理后的结果，可见内存是计算机处理器的工作空间。它是处理器运行的程序和数据必须驻留于其中的一个临时存储区域，是计算机十分重要的部件。
地址区。
1.1 芯片内部存储布局及存储操作特点
一片NAND Flash为一个设备, 其数据存储分层为：1设备=4 096块；1块=32页;1页=528字节=数据块大小(512字节)+OOB块大小(16字节)。在每一页中，最后16字节（又称OOB，Out?of?Band）用于NAND Flash命令执行完后设置状态用，剩余512字节又分为前半部分和后半部分。可以通过NAND Flash命令00h/01h/50h分别对前半部、后半部、OOB进行定位，通过NAND Flash内置的指针指向各自的首地址。
存储操作特点有： 擦除操作的最小单位是块；NAND Flash芯片每一位只能从1变为0，而不能从0变为1，所以在对其进行写入操作之前一定要将相应块擦除(擦除即是将相应块的位全部变为1)；OOB部分的第6字节(即517字节)标志是否是坏块，值为FF时不是坏块，否则为坏块。除OOB第6字节外，通常至少把OOB的前3字节用来存放NAND Flash硬件ECC码。
1.2 NAND Flash接口电路
首先介绍开发板开发板
开发板是基于单片机来进行系统开发的电路板，通常是由开发者根据具体需要来定制或者设计的。开发板是一套硬件系统，包括了CPU、存储器、输入设备、输出设备、数据通路和外部资源接口等。
的硬件设计，图1为NAND Flash接口电路。其中开关开关
开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。接通则电流可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。
SW的1、2连接时R/B表示准备好/忙，2、3连接时nWAIT可用于增加读/写访问的额外等待周期。在S3C2410处理器中已经集成了NAND Flash控制器，图2为微控制器微控制器
一个微控制器，（也称作微处理器或MCU）就是一个小型的计算机，它由一系列简单的电路和一些支持CPU作用的简单模块组成，如晶体振荡器，定时器，看门狗，串行和模拟I / O口等等。芯片里包括非闪烁存储器和OTP ROM 用来存储程序，以及一个很小的读写程序。
与NAND Flash连接的方式。
图1 NAND Flash接口电路
1.3 控制器工作原理
NAND Flash控制器在其专用寄存器区(SFR)地址空间中映射有属于自己的特殊功能寄存器，就是通过将NAND Flash芯片的内设命令写到其特殊功能寄存器中，从而实现对NAND Flash芯片读、检验和编程控制。特殊功能寄存器有：NFCONF、NFCMD、NFADDR 、NFDATA、NFSTAT、NFECC。
图2 NAND Flash与S3C2410连接电路
2 Flash烧写程序原理及结构
基本原理：将在SDRAM中的一段存储区域中的数据写到NAND Flash存储空间中。烧写程序在纵向上分三层完成。第一层: 主烧写函数，将SDRAM中一段存储区域的数据写到NAND Flash存储空间中。第二层: 该层提供对NAND Flash进行操作的页读、写及块擦除等函数。第三层：为第二层提供具体NAND Flash控制器中对特殊功能寄存器进行操作的核心函数，该层也是真正将数据在SDRAM和NAND Flash之间实现传送的函数。其中第二层为驱动程序的设计关键所在，下面对该层的读、写(又称编程)、擦除功能编码进行详细介绍。
2.1 NAND Flash Read
功能：读数据操作以页为单位,读数据时首先写入读数据命令00H,然后输入要读取页的地址,接着从数据寄存器中读取数据,最后进行ECC校验。
参数说明：block，块号；page，页号；buffer，指向将要读取到内存中的起始位置；返回值1，读成功，返回值0：读失败。
static int NF_ReadPage(unsigned int block, unsigned int page, unsigned char *buffer){
NF_RSTECC(); /* 初始化 ECC */
NF_nFCE_L(); /* 片选NAND Flash芯片*/
NF_CMD(0x00); /* 从A区开始读 *//* A0~A7(列地址) */
NF_ADDR(0); /* A9A16(页地址) */
NF_ADDR(blockPage&0xff); /* A17A24,(页地址) */
NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff);/* A25, (页地址) */
NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);/* 等待NAND Flash处于再准备状态 */
ReadPage();/* 读整个页, 512字节 */
ReadECC();/* 读取ECC码 */
ReadOOB();/* 读取该页的OOB块 *//* 取消NAND Flash 选中*/
NF_nFCE_H();/* 校验ECC码, 并返回 */
Return (checkEcc())}
2.2 NAND Flash Program
功能：对页进行编程命令, 用于写操作。
命令代码：首先写入00h(A区)/01h(B区)/05h(C区), 表示写入那个区; 再写入80h开始编程模式(写入模式)，接下来写入地址和数据; 最后写入10h表示编程结束。图3为程序流程图。
图3 写程序流程
参数说明：block，块号；page，页号；buffer，指向内存中待写入NAND Flash中的数据起始位置；返回值0，写错误，返回值1，写成功。
static int NF_WritePage(unsigned int block, unsigned int page, unsigned char *buffer){
NF_RSTECC(); /* 初始化 ECC */
NF_nFCE_L(); /* 片选NAND Flash芯片*/
NF_CMD(0x0); /* 从A区开始写 */
NF_CMD(0x80); /* 写第一条命令 *//* A0~A7(列地址) */
NF_ADDR(0);/* A9A16(页地址) */
NF_ADDR(blockPage&0xff);/* A17A24(页地址) */
NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff); /* A25(页地址) */
NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);/* 写页为512B到NAND Flash芯片 */
WRDATA(); /*OOB一共16字节，每一个字节存放什么由程序员自己定义, 在Byte0 Byte2存ECC检验码，Byte6 存放坏块标志*/
WRDATA(); /* 写该页的OOB数据块 */
CMD(0x10); /* 结束写命令 */
WAITRB();/* 等待NAND Flash处于准备状态 *//* 发送读状态命令给NAND Flash */
CMD(0x70);
if (RDDATA()&0x1) { /*如果写有错, 则标示为坏块,取消NAND Flash 选中*/
MarkBadBlock(block);
return 0;
} else { /* 正常退出， 取消NAND Flash 选中*/
return 1;}
2.3 NAND Flash Erase
功能：块擦除命令。
命令代码：首先写入60h进入擦写模式，然后输入块地址，接下来写入D0h, 表示擦写结束。
参数说明：block，块号；返回值0，擦除错误（若是坏块直接返回0；若擦除出现错误则标记为坏块然后返回0），返回值1，成功擦除。
static int NF_EraseBlock(unsigned int block){/* 如果该块是坏块, 则返回 */
if(NF_IsBadBlock(block)) return 0;
NF_nFCE_L(); /* 片选NAND Flash芯片*/
NF_CMD(0x60); /* 设置擦写模式 *//* A9A16(Page Address) , 是基于块擦除*/
NF_ADDR(blockPage&0xff);
NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff); /* A25(Page Address) */
NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff); NF_CMD(0xd0); WAITRB();CMD(0x70);
if(RDDATA()&0x1){/*如有错,标为坏块,取消Flash选中*/
MarkBadBlock(block);
return 0;
} else { /* 退出， 取消Flash 选中*/
return 1;}
3 ECC校检原理与实现
由于NAND Flash的工艺不能保证NAND的Memory Array 在其生命周期中保持性能可靠，因此在NAND的生产及使用过程中会产生坏块。为了检测数据的可靠性，在应用NAND Flash的系统中一般都会采用一定的坏区管理策略，而管理坏区的前提是能比较可靠地进行坏区检测。如果操作时序和电路稳定性不存在问题的话，NAND Flash出错的时候一般不会造成整个块或是页不能读取或全部出错，而是整个页（例如512字节）中只有一位或几位出错。对数据的校验常用的有奇偶校验、CRC校验等，而在NAND Flash处理中，一般使用一种专用的校验——ECC。ECC能纠正单位错误和检测双位错误，而且计算速度很快，但对1位以上的错误无法纠正，对2位以上的错误不保证能检测。ECC一般每256字节原始数据生成3字节ECC校验数据，这3字节共24位分成两部分：6位的列校验和16位的行校验，多余的2位置1，如表1所列。
表1 校检数据组成
首先介绍ECC的列校检。ECC的列校验和生成规则如图4所示，“^”表示“位异或”操作。由于篇幅关系，行校检不作介绍，感兴趣的读者可以参考芯片datasheet，在三星公司网站可以免费下载。
图4 列校验和生成规则
数学表达式为：
当向NAND Flash的页中写入数据时，每256字节生成一个ECC校验和，称之为原ECC校验和，保存到页的OOB数据区中。当从NAND Flash中读取数据时，每256字节生成一个ECC校验和，称之为新ECC校验和。校验的时候，根据上述ECC生成原理不难推断：将从OOB区中读出的原ECC校验和与新ECC校验和按位异或，若结果为0，则表示无错（或者出现了 ECC无法检测的错误）；若3字节异或结果中存在11位为1，表示存在一个位错误，且可纠正；若3个字节异或结果中只存在1位为1，表示 OOB区出错；其他情况均表示出现了无法纠正的错误。
4 UBOOT下功能验证
实现UBOOT对NAND Flash的支持主要是在命令行下实现对NAND Flash的操作。对NAND Flash实现的命令为：nand info、nand device 、nand read、nand write、nand erease、nand bad。用到的主要数据结构有：struct nand_flash_dev和struct nand_chip，前者包括主要的芯片型号、存储容量、设备ID、I/O总线
总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗的说，就是多个部件间的公共连线，用于在各个部件之间传输信息。人们常常以MHz表示的速度来描述总线频率。
宽度等信息，后者是对NAND Flash进行具体操作时用到的信息。由于将驱动移植到UBoot的方法不是本文重点，故不作详细介绍。
验证方式：通过TFTP将数据下载到SDRAM中，利用nand read、nand write、nand erease三个命令对NAND Flash进行读、编程、擦写测试。测试结果如表2所列。和datasheet中数据对比，可以得出结论，驱动在系统中运行良好。
表2 测试结果
结语
现在嵌入式系统应用越来越广泛，而存储器件又是嵌入式系统必不可少的一部分，NAND Flash在不超过4 GB容量的需求下，较其他存储器件优势明显。本文所设计的驱动并未基于任何操作系统，可以方便地移植到多种操作系统和Boot Loader下，对于简化嵌入式系统开发有一定的实际意义。
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