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大容量NAND Flash TC58DVG02A1FT00在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要：隨著嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)展，對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的要求也日益增強(qiáng)。文章以東芝的NANDE2PROM器件TC58DVG02A1F00為例，闡述了NANDFlash的基本結(jié)構(gòu)和使用方法，對(duì)比了NAND和NORFlash的異同，介紹了容量NANDFlash在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用方法，以及如何在Linux操作系統(tǒng)中加入對(duì)NANDFlash的支持。關(guān)鍵詞：嵌入式NANDFlashLinux內(nèi)核TC58DVG02A1F00
1NAND和NORflash
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NANDFLASH的應(yīng)用最為廣泛，在CompactFlash、SecureDigital、PCCards、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，eXecuteInPlace），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)NANDFlash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)NANDFlash的支持。
2大容量存儲(chǔ)器TC58DCG02A1FT00
2．1引腳排列和功能
TC58DVG02A1FT00是Toshiba公司生產(chǎn)的1Gbit(128M×8Bit)CMOSNANDE2PROM，它的工作電壓為3.3V，內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)為528bytes×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NANDFlash與ARM處理器的一般連接方法。如前所述，與NORFlash不同，NANDFlash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NANDFlash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(méi)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)NANDFlash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
CLEALECEWERE命令輸入100時(shí)鐘上升沿1數(shù)據(jù)輸入000時(shí)鐘上升沿1地址輸入010時(shí)鐘上升沿1串行數(shù)據(jù)輸出0001時(shí)鐘下降沿待機(jī)狀態(tài)XX1XX
NANDFlash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100無(wú)讀模式201無(wú)讀模式350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60D0狀態(tài)讀取170無(wú)狀態(tài)讀取271無(wú)ID讀取190無(wú)ID讀取291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)NANDFlash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)
}
3Linux系統(tǒng)對(duì)NANDFlash的支持
Linux操作系統(tǒng)雖然已經(jīng)支持NANDFlash，但要使用NANDFlash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makemenuconfig命令，再打開主菜單，進(jìn)入MemoryTechnologyDevices(MTD)選項(xiàng)，選中MTD支持。
（2）進(jìn)入NANDFlashDeviceDrivers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(méi)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'ToshibaNANDDeviceSupport'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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