大容量NAND Flash TC58DVG02A1FT00在嵌入式系統(tǒng)中的應用
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關鍵詞：嵌入式 NAND Flash Linux 內核 TC58DVG02A1F00
1 NAND和NOR flash
目前市場上的flash從結構上大體可以分為AND、NAND、NOR和DiNOR等幾種。其中NOR和DiNOR的特點為相對電壓低、隨機讀取快、功耗低、穩(wěn)定性高，而NAND和AND的特點為容量大、回寫速度快、芯片面積小?，F(xiàn)在，NOR和NAND FLASH的應用最為廣泛，在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards、MMC存儲卡以及USB閃盤存儲器市場都占用較大的份額。
NOR的特點是可在芯片內執(zhí)行（XIP，eXecute In Place），這樣應該程序可以直接在flash內存內運行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR的傳輸效率很高，但寫入和探險速度較低。而NAND結構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)存儲密度的最佳選擇。這兩種結構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的擦除速度遠比NOR快。
*NAND的擦除單元更小，相應的擦除電路也更加簡單。
*NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數(shù)量否萬次，而NOR的擦寫次數(shù)是十萬次。
此外，NAND的實際應用方式要比NOR復雜得多。NOR可以直接使用，并在上面直接運行代碼。而NAND需要I/O接口，因此使用時需要驅動程序。不過當今流行的操作系統(tǒng)對NAND Flash都有支持，如風河（擁有VxWorks系統(tǒng)）、微軟（擁有WinCE系統(tǒng)）等公司都采用了TrueFFS驅動，此外，Linux內核也提供了對NAND Flash的支持。
2．1 引腳排列和功能
TC58DVG02A 1FT00是Toshiba公司生產(chǎn)的1Gbit(128M8Bit)CMOS NAND E2PROM，它的工作電壓為3.3V，內部存儲結構為528 bytes32pages8192blocks。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I/O口；
CE：片選信號，低電平有效；
WE：寫使能信號，低電平有效；
RE：讀使能信號，低電平有效；
CLE：命令使能信號；
ALE：地址使能信號；
WP：寫保護信號，低電平有效；
RY/BY：高電平時為READY信號，低電平時為BUSY信號。
2．2 與ARM處理器的連接
當前嵌入式領域的主流處理器當屬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需要驅動程序才能正常工作。
圖中PB4，PB5，PB6是ARM處理器的GPIO口，可用來控制NAND Flash的片選信號。CS1是處理器的片選信號，低電平有效。IORD、IOWR分別是處理器的讀、寫信號，低電平有效。寫保護信號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 | 時鐘上升沿 | 1 |
| 數(shù)據(jù)輸入 | 0 | 0 | 0 | 時鐘上升沿 | 1 |
| 地址輸入 | 0 | 1 | 0 | 時鐘上升沿 | 1 |
| 串行數(shù)據(jù)輸出 | 0 | 0 | 0 | 1 | 時鐘下降沿 |
| 待機狀態(tài) | X | X | 1 | X | X |
NAND Flash芯片的各種工作模式，如讀、復位、編程等，都是通過命令字來進行 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 |
| 讀模式1 | 00 | 無 |
| 讀模式2 | 01 | 無 |
| 讀模式3 | 50 | 無 |
| 復位 | FF | 無 |
| 自動編程（真） | 10 | 無 |
| 自動編程（假） | 11 | 無 |
| 自動塊刪除 | 60 | D0 |
| 狀態(tài)讀取1 | 70 | 無 |
| 狀態(tài)讀取2 | 71 | 無 |
| ID讀取1 | 90 | 無 |
| ID讀取2 | 91 | 無 |
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，此時除IO8為1外，其余IO口均為低電平。
2．4 時序分析及驅動程序
下面以表2中的讀模式1為例分析該芯片的工作時序。由圖3可知，CLE信號有效時通過IO口向命令寄存器發(fā)送命令00H。此時NAND Flash處于寫狀態(tài)，因此WE有鏟，RE無效。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個周期。注意，此時發(fā)送的是地址信息，因此CLE為低，而ALE為高電平。當信息發(fā)送完畢后，不能立刻讀取數(shù)據(jù)，因為芯片此時處于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WE為高電平而處于無效狀態(tài)，同時CE片選信號也始終為低以表明選中該芯片。
這段時序的偽代碼如下：
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)送命令結束
ALE=1； //開始發(fā)送地址
For(i=0;i4;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設備，還必須先對內核進行設置方法如下：
（1）在/usr/src/(內核路徑名)目錄中輸入make menuconfig命令，再打開主菜單，進入Memory Technology Devices(MTD)選項，選中MTD支持。
（2）進入NAND Flash Device Drivers選項，NAND設備進行配置。不過此時對NAND的支持僅限于Linux內核自帶的驅勸程序，沒有包含本文介紹的Toshiba芯片，為此需要對Linux內核進行修改，方法如下：
（1）修改內核代碼的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，該菜單才會出現(xiàn)，即依賴于$CONFIG-MTD選項。宋，Toshiba的NAND設備將被加入Linux系統(tǒng)內核菜單中。
（2）修改相應的Makefile文件，以便編譯內核時能加入該設備的驅動程序。
obj-$(CONFIG-MTD-TOSHIBA)+=toshiba.o
此行語句的意思是如果選擇了該設備，編譯內核時加入toshiba.o（假設驅動程序是toshiba.o），反之不編譯進內核。
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