51內(nèi)核單片機(jī)管理NAND FLASH的方法

摘 要：闡述了NAND FLASH的工作原理和訪問(wèn)方式，提出了一種基于51內(nèi)核單片機(jī)存儲(chǔ)、讀取NAND FLASH的實(shí)現(xiàn)方法，給出了K9F2G08UXA與單片機(jī)的接口電路，同時(shí)給出了對(duì)K9F2GO8UXA芯片進(jìn)行讀操作、頁(yè)編程和塊擦除等軟件操作的響應(yīng)例程。

關(guān)鍵詞：51內(nèi)核；NAND FLASH；塊擦除；頁(yè)編程

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2014）01-0063-03

0 引 言

閃速存儲(chǔ)器（Flash Memory） 是一種不揮發(fā)性Non-Volatile內(nèi)存，在沒(méi)有電流供應(yīng)的條件下也能夠長(zhǎng)久地保持?jǐn)?shù)據(jù)，其存儲(chǔ)特性相當(dāng)于硬盤(pán)，同時(shí)其還具有低功耗、密度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，這些特性正使得閃存成為各類便攜型數(shù)字設(shè)備的存儲(chǔ)介質(zhì)的基礎(chǔ)，而超大容量的閃存芯片更是受到了廣大開(kāi)發(fā)者的青睞。NOR和NAND是現(xiàn)在市場(chǎng)上兩種主要的非易失閃存技術(shù)，NOR FLASH帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來(lái)尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個(gè)字節(jié)；NAND器件使用復(fù)雜的I/O口來(lái)串行地存取數(shù)據(jù)，各個(gè)產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同，8個(gè)引腳用來(lái)傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。51內(nèi)核的單片機(jī)因受尋址能力的限制，在進(jìn)行大容量存儲(chǔ)應(yīng)用時(shí)，都會(huì)選擇NAND FLASH來(lái)作為存儲(chǔ)器件。

1 K9F2G08UXA Flash Memory簡(jiǎn)介

K9F2G08UXA是韓國(guó)三星公司生產(chǎn)的256 M×8 b，并帶有8 M×8位后備區(qū)域的NAND（“與非”）閃速存儲(chǔ)器。NAND FLASH結(jié)構(gòu)具有快速重寫(xiě)、高存儲(chǔ)容量、回寫(xiě)速度快以及芯片面積小等特點(diǎn)，因此是高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度的理想解決方案。NAND FLASH型的單元排列是串行的，存儲(chǔ)單元被分成頁(yè)，由頁(yè)組成塊。根據(jù)不同容量，塊和頁(yè)的大小有所不同，而組成塊的頁(yè)的數(shù)量也會(huì)不同。應(yīng)用NAND的困難在于FLASH的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口。K9F2G08UXA就是具有這些特點(diǎn)的FLASH Memory，它的典型編程時(shí)間為200 μs/頁(yè)（2 048 B /頁(yè)），擦除時(shí)間為1.5 ms/塊（64頁(yè)/塊=128 KB/塊）。頁(yè)順序讀取時(shí)間最小為25 ns，隨機(jī)讀取時(shí)間最小為25 μs；其地址復(fù)用8個(gè)I/O引腳，作為地址輸入、輸出口和命令輸入；片內(nèi)的寫(xiě)控制器自動(dòng)完成編程/擦除功能，包括所需的脈沖循環(huán)重復(fù)、內(nèi)部校驗(yàn)及數(shù)據(jù)的加注。

2 硬件原理

2.1 K9F2G08UXA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

K9F2G08UXA是由131 072行×2 112列組成的2112Mb存儲(chǔ)器，其中64 Mb位的后備區(qū)域的列地址范圍是2 048～2 111。2 112 B的數(shù)據(jù)寄存器連接著存儲(chǔ)器單元陣列，在頁(yè)讀和頁(yè)編程期間提供了I/O緩沖和內(nèi)存之間的傳送。存儲(chǔ)器陣列由以串行方式連接成NAND結(jié)構(gòu)的32個(gè)單元構(gòu)成，每塊中有1 081 344個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)。這些單元均駐留在不同的頁(yè)上。塊是由2個(gè)NAND結(jié)構(gòu)形成的64頁(yè)組成，共有2 048個(gè)分立的可擦寫(xiě)的128 KB塊。

閃存芯片的主要命令操作有讀、編程和擦除，其中讀、編程操作以頁(yè)為基礎(chǔ)，擦除必須以塊為單位進(jìn)行，且不允許逐位擦除。FLASH操作大都需要2個(gè)總線周期，如塊擦除需要2個(gè)總線周期，一個(gè)周期是擦除建立，另一個(gè)周期是在塊地址裝入后執(zhí)行擦除命令。256 MB的物理空間需要29位地址線，因此需要5個(gè)周期的字節(jié)尋址，其順序是：低位列地址、高位列地址、低位行地址、中位行地址、高位行地址。 頁(yè)讀和頁(yè)編程在命令輸入后都跟著同樣的5個(gè)地址周期。由于擦除是以塊（1塊有64頁(yè)）為單位的，所以在塊擦除操作中僅需要3個(gè)行地址周期。以上的操作都是通過(guò)寫(xiě)特殊的命令到命令寄存器中。特殊命令集定義如表l所列。

K9F2G08UXA芯片內(nèi)有1個(gè)狀態(tài)寄存器，命令70 h就是讀這個(gè)狀態(tài)寄存器的。通過(guò)它可以查詢編程或擦除操作是否完成，以及查看這些操作完成的正確與否。在寫(xiě)70 h命令到命令寄存器中后，且在/CE或/RE的下降沿時(shí)，狀態(tài)寄存器的內(nèi)容就可以在1個(gè)讀周期內(nèi)輸出到I/O引腳上。讀狀態(tài)寄存器的定義如表2所列。

表1 特殊命令集

功能第一周期第二周期在忙態(tài)時(shí)可接受命令

讀00 h30 h

讀后備區(qū)域00 h35 h

讀 ID90 h-

復(fù)位FF h-ο

頁(yè)編程80 h10 h

塊擦除60 hD0 h

讀狀態(tài)70 h ο

表2 讀狀態(tài)寄存器定義

I/O狀態(tài)定義

I/O.0編程/擦除0：編程/擦除成功

1：編程/擦除錯(cuò)誤

I/O.1預(yù)留0

I/O.2 0

I/O.3 0

I/O.4 0

I/O.5 0

I/O.6芯片操作0：忙；1：準(zhǔn)備好

I/O.7寫(xiě)保護(hù)0：保護(hù)；1：不保護(hù)

2.2 K9F2G08UXA各引腳功能

K9F2G08UXA的各引腳功能如下：

I/O0～I(xiàn)/O7：用于輸入命令、地址和數(shù)據(jù)。在讀操作時(shí)輸出數(shù)據(jù)，當(dāng)未選中芯片或輸出禁止時(shí)浮空為高阻。

CLE：地址鎖存使能。為高時(shí)，命令在/WE的上升沿通過(guò)I/O口鎖存在命令寄存器中。

ALE：地址鎖存使能。當(dāng)為高時(shí)，地址在/WE的上升沿被鎖存在地址寄存器中 。

/CE：芯片使能。在讀操作期間，/CE為高時(shí)芯片返回standby模式。但是當(dāng)在編程或擦除時(shí)處于忙狀態(tài)時(shí)，則不理睬/CE，芯片也不返回standby模式。

/RE：讀使能，低電平有效。有效時(shí)把數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)到I/O總線上，在/RE的下降沿后tREA處數(shù)據(jù)有效，并使內(nèi)部列地址計(jì)數(shù)器加1 。

/WE：寫(xiě)使能，低電平有效。命令、地址和數(shù)據(jù)均是在/WE上升沿鎖存。

/WP：寫(xiě)保護(hù)，低電平有效。在上電時(shí)，它提供寫(xiě)擦除保護(hù)，有效時(shí)，內(nèi)部高電壓產(chǎn)生器被復(fù)位。

R/B：準(zhǔn)備好/忙輸出，反映芯片的操作狀態(tài)。為低時(shí)，表示正在進(jìn)行編程、擦除或隨機(jī)讀操作，完成后返回高狀態(tài)。若是開(kāi)漏輸出，當(dāng)未選中芯片或輸出禁止時(shí)不浮空為高阻態(tài)。

2.3 K9F2G08UXA與單片機(jī)的接口電路

由于K9F2GO8UXA的I/O引腳為8位，因此可以很方便地選取51系列8位單片機(jī)。因51系列8位單片機(jī)的工作電壓為5 V，圖1中用VCC表示，K9F2GO8UXA閃存芯片的工作電壓為3.3 V，所以單片機(jī)與閃存間不能直接相連，中間必須增加電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行隔離，如圖1中74LVC4245。將K9F2GO8UXA的8位I/O引腳通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線端口D0～D8位相連。K9F2GO8UXA的讀使能（/RE）、寫(xiě)使能（/WE）則分別通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)的P3.6（/RD）和P3.5（/WE）相連， 其他控制信號(hào)如CLE、/CE、R/B等則通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)的P1口相連，并通過(guò)軟件編程來(lái)完成對(duì)這些信號(hào)的控制。閃速存儲(chǔ)芯片與單片機(jī)的連接電路如圖1所示。

3 軟件編程

3.1 讀操作

閃速存儲(chǔ)器上電后就處于讀存儲(chǔ)單元狀態(tài)，K9F2GO8UXA芯片默認(rèn)為讀模式，也可以直接寫(xiě)00H到命令寄存器中完成該存儲(chǔ)單元操作。讀操作有3種類型：隨機(jī)讀、串行頁(yè)讀和連續(xù)行讀。當(dāng)改變頁(yè)地址時(shí)，使能隨機(jī)讀模式。被選中的頁(yè)在l0 μs內(nèi)就傳送到數(shù)據(jù)寄存器中，系統(tǒng)控制器可以通過(guò)R/B引腳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送的完成與否。一旦頁(yè)中的數(shù)據(jù)被裝入到寄存器中，數(shù)據(jù)就可以在60 ns的周期內(nèi)，在連續(xù)的/RE脈沖讀出。讀操作流程如圖2所示。

3.2 頁(yè)編程

編程操作以頁(yè)為單位，但它允許在1個(gè)頁(yè)編程周期內(nèi)進(jìn)行1個(gè)字節(jié)或連續(xù)的直到2 112字節(jié)的多分頁(yè)編程。在沒(méi)有阻礙擦除操作的同一頁(yè)內(nèi)，連續(xù)分頁(yè)編程操作的個(gè)數(shù)主陣列不能超過(guò) 2個(gè)，后備陣列不能超過(guò)3個(gè)。數(shù)據(jù)裝入階段開(kāi)始于數(shù)據(jù)輸入命令（80 h），接著是4個(gè)周期的地址輸入和數(shù)據(jù)裝入，非編程字節(jié)不需要裝入。一旦編程操作開(kāi)始，且/RE和/WE為低時(shí)，就可以讀狀態(tài)寄存器中的狀態(tài)位（I/O6）。系統(tǒng)控制器也可以通過(guò)R/B引腳輸出來(lái)監(jiān)測(cè)編程操作周期的完成與否。在編程過(guò)程中只有讀狀態(tài)命令和復(fù)位命令有效。頁(yè)編程操作完成后，可以查看狀態(tài)位（I/O0），為“0”表明編程成功；為“1”則編程出錯(cuò)。頁(yè)編程流程如圖3所示。

3.3 塊擦除

任何FLASH器件的寫(xiě)入操作都只能在空的或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行。所以大多數(shù)情況下， 當(dāng)新數(shù)據(jù)寫(xiě)入一個(gè)扇區(qū)時(shí)，F(xiàn)LASH都必須進(jìn)行擦除。擦除操作以塊為單位，流程如下：首先啟動(dòng)塊擦除建立命令（60 h）；接著裝入需要3個(gè)周期完成的塊地址，其中只有A18～A28地址有效，而忽略A0～A17地址；最后是擦除確認(rèn)命令（D0h），至此完成內(nèi)部擦除過(guò)程。在輸入擦除確認(rèn)命令后的/WE的上升沿，內(nèi)部寫(xiě)控制器進(jìn)行擦除操作和擦除校驗(yàn)。當(dāng)擦除操作完成后可以校驗(yàn)寫(xiě)狀態(tài)位（I/O0）。塊擦除操作流程如圖4所示。

圖3 頁(yè)編程流程圖 圖4 塊擦除流程圖

3.4 程序?qū)嵗?/p>

下面的程序是用Keil C51編寫(xiě)的讀操作程序。其他操作如塊擦除、頁(yè)編程均可參照文中介紹的流程圖進(jìn)行編程。但應(yīng)注意根據(jù)閃速存儲(chǔ)的時(shí)間參數(shù)來(lái)調(diào)整這些操作的時(shí)間。

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define FLASH_BLOCK_ERASE_1ST 0x60

#define FLASH_BLOCK_ERASE_2ND 0xD0

unsigned char bdata outregister_2；

sbit flash_cle =outregister_2^5；

sbit flash_ale =outregister_2^6；

sbit flash_wp =outregister_2^7；

void flash_read_commond（void）； //FLASH進(jìn)入讀模式（輸入指令）

void flash_read_address（void）； //FLASH進(jìn)入讀模式（輸入地址）

void flash_write_commond（void）； //FLASH進(jìn)入寫(xiě)模式（輸入指令）

void flash_write_address（void）； //FLASH進(jìn)入寫(xiě)模式（輸入地址）

void flash_data_in（void）； //FLASH進(jìn)入數(shù)據(jù)輸入模式

void flash_data_out（void）； //FLASH進(jìn)入數(shù)據(jù)輸出模式

void flash_inefficacy（void）； //FLASH進(jìn)入寫(xiě)保護(hù)狀態(tài)

void flash_write_data_in（unsigned char data_in）； //向FLASH中寫(xiě)入數(shù)據(jù)

unsigned char flash_read_data_out（void）； //從FLASH中讀出數(shù)據(jù)

void flash_setup_address_5cycle（void）； //設(shè)置5周期地址

void flash_setup_block_address_3cycle（void）； //設(shè)置3周期地址（塊地址）

void flash_block_erase_handle（unsigned int temp_int）； //塊擦除操作

// FLASH塊擦除子函數(shù)

// 入口參數(shù)：unsigned int temp_int 塊地址

void flash_block_erase_handle（unsigned int temp_int）{

flash_page_address=0；

flash_block_address=temp_int； //要擦除塊的地址

flash_write_commond（）； //FLASH進(jìn)入寫(xiě)模式（輸入指令）

flash_write_data_in（FLASH_BLOCK_ERASE_1ST）； //輸入0x60h

flash_write_address（）； //FLASH進(jìn)入寫(xiě)模式（輸入地址）

flash_setup_block_address_3cycle（）； //輸入要擦除塊的地址

flash_write_commond（）； //FLASH進(jìn)入寫(xiě)模式（輸入指令）

flash_write_data_in（FLASH_BLOCK_ERASE_2ND）； //輸入0xD0h

while（！RBOUT）； //等待擦除完成

flash_inefficacy（）； //FLASH進(jìn)入寫(xiě)保護(hù)狀態(tài)

}

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹一種51內(nèi)核管理NAND FLASH的方法，并給出基于該方法硬件實(shí)現(xiàn)和C語(yǔ)言源代碼，該硬件電路和軟件代碼已經(jīng)在筆者參與研制的總線式消防電話系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)語(yǔ)音信息的長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)功能，工作穩(wěn)定、可靠。

參 考 文 獻(xiàn)

[l] SAMSUNG Electronics Corp. K9F2GO8UXA flash memory [R]. Revision No. 1.3. Korea： SAMSUNG， 2007.

[2] NXP Semiconductors Corp. P89V51RB2/RC2/RD2 Product data [R]. Revision No. 0.3. Germany： NXP， 2004.

[3] 馬忠梅，籍順心，張凱，等.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

[4] GB16806-2006：消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[5] 劉芳，趙振華.NAND FLASH芯片K9F1208在uPSD3234A上的應(yīng)用[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用， 2007（3）： 43-46.