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1、安全移动存储设备控制芯片Nand闪存驱动固件程序设计与实现,指导教师：刘宏伟 学生姓名：王昕亮,1.Nand Flash简介,Nand Flash是采用Nand结构技术的非易失存储器，Nand Flash芯片设计成了页阵列，可使芯片读取速度更快。典型的Nand Flash芯片中的每一页拥有2048字节的数据区和64字节的备用区的容量，由32页构成一个块。备用区用于存储ECC(Error Checking and Correcting)编码、坏块信息等参数。,典型Nand存储结构如图所示：,1.1 Nand Flash物理结构,Nand Flash以页为基本单元进行存储，以块为基本单元进行擦除。
2、Nand Flash都有与页大小相同的页寄存器，用于数据缓存。在命令锁存使能引脚为高电平时，发给芯片的读/写/擦除命令就可以通过写命令写进芯片，当地址锁存使能引脚为高电平时，就可以通过写命令给出地址。Nand Flash的I/O接口可用于控制命令和地址的输入，也可用于数据的输入和输出。当读数据时，先从Nand Flash内存单元把数据读到页寄存器，外部通过访问Nand Flash I/O端口获得页寄存器中数据(地址自动累加);当写数据时，外部通过Nand Flash I/O端口输人的数据首先缓存在页寄存器，写命令发出后才写入到内存单元中。Nand Flash页的最小串行读操作典型时间是25ns
3、，页编程的典型时间是200us，块擦除的典型时间是1. 5ms。片内数据可以保存10年。Nand Flash器件在进行写入和擦除操作时需要内存技术设备(Memory Technology Device， 简称MTD)驱动支持。 和Nor Flash相同，Nand Flash也是一种“先擦除再写入”的存储介质，即要写入闪存的某页，须先擦除整个块。,1.2 Nand/Nor Flash比较,1) 闪存芯片读写的基本单位不同 应用程序对Nor芯片操作以“字”为基本单位。为了方便对大容量Nor闪存的管理，通常将Nor闪存分成大小为128KB或者64KB的逻辑块，有时候块内还分成扇区。读写时需要同时指定
4、逻辑块号和块内偏移。应用程序对N AN D芯片操作是以“块”为基本单位。Nand闪存的块比较小，一般是8KB，然后每块又分成页，页的大小一般是512字节。要修改Nand芯片中一个字节，必须重写整个数据块。 2）Nor闪存是随机存储介质，用于数据量较小的场合；N AND闪存是连续存储介质，适合存放大的数据。,3) 由于Nor地址线和数据线分开，所以Nor芯片可以像SRAM一样连在数据线上。Nor芯片的使用也类似于通常的内存芯片，它的传输效率很高，可执行程序可以在芯片内执行( XI P, eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。
5、由于Nor的这个特点，嵌入式系统中经常将Nor芯片做启动芯片使用。而Nand共用地址和数据总线，需要额外联结一些控制的输入输出，所以直接将Nand芯片做启动芯片比较难。 4) Nand闪存芯片因为共用地址和数据总线的原因，不允许对一个字节甚至一个块进行的数据清空，只能对一个固定大小的区域进行清零操作；而Nor芯片可以对字进行操作。所以在处理小数据量的I/O操作的时候的速度要快与Nand的速度。比如一块Nor芯片通常写一个字需要10微秒，那么在32位总线上写512字节需要1280毫秒；而Nand闪存写512字节需要的时间包括：512每字节50纳秒+10微秒的寻页时间+200微秒的片擦写时间234
6、微秒。,5）Nand闪存的容量比较大，目前最大容量己经达到8G字节。为了方便管理，Nand的存储空间使用了块和页两级存储体系，也就是说闪存的存储空间是二维的，比如K9F5608UOA闪存块的大小为16K，每页的大小是512字节，每页还16字节空闲区用来存放错误校验码空间(有时也称为out-of-band，OOB空间)；在进行写操作的时候Nand闪存每次将一个字节的数据放入内部的缓存区，然后再发出“写指令”进行写操作。由于对Nand闪存的操作都是以块和页为单位的，所以在向Nand闪存进行大量数据的读写时，Nand的速度要快于Nor闪存。,6）Nor闪存的可靠性要高于Nand闪存，这主要是因为No
7、r型闪存的接口简单，数据操作少，位交换操作少，因此可靠性高，极少出现坏区块，因而一般用在对可靠性要求高的地方。相反的，Nand型闪存接口和操作均相对复杂，位交换操作也很多，关键性数据更是需安错误探测/错误更正EDC/ECC)算法来确保数据的完整性，因此出现问题的几率要大得多，坏区块也是不可避免的，而且由于坏区块是随机分布的，连纠错也无法做到。 7）Nand Flash一般地址线和数据线共用，对读写速度有一定影响；而Nor Flash闪存数据线和地址线分开，所以相对而言读写速度快一些。,二者的具体速度比较见下表：,Nand Flash的数据是以bit的方式保存在memory cell(存储单元)
8、，一般来说，一个cell中只能存储一个bit。这些cell以8个或者16个为单位，连成bit line，形成所谓的byte(x8)/word(x16)，这就是Nand Device的位宽。 Nand Flash以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据。按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址： Column Address：列地址 Page Address ：页地址 Block Address ：块地址,1.3 Nand Flash地址构成,例如，对于x8 Nand Flash来讲，地址和命令只能在I/O7:0上传递，数据宽度是8位。512byte需要9bits来表示，对于528byte系列的
9、Nand Flash，这512byte被分成1st half Page Register和2nd half Page Register，各自的访问由地址指针命令来选择。A7:0就是所谓的Column Address(列地址)，在进行擦除操作时不需要它，因为以块为单位擦除。32个page需要5bits来表示，占用A13:9，即该page在块内的相对地址。A8这一位地址被用来设置512byte的1st half page还是2nd half page，0表示1st，1表示2nd。Block的地址是由A14以上的bits来表示。,2.课题内容,本项目的目的是设计并实现应用于安全移动存储设备的Nand
10、 Flash驱动程序，完成对Nand Flash的读写控制和存储管理。提供驱动程序接口函数，供上层程序调用。主要包括两大主模块： 1）硬件驱动模块 2）功能接口模块,2.1 硬件驱动模块,硬件驱动模块可划分为如下子模块： 1）Nand硬件指令集预置子模块 该模块包含2个函数（函数说明请详见论文P3334），主要实现对Nand Flash硬件指令集的默认设置和非默认设置。进行非默认设置时，指令集成员从Block0中读取量产时预写入的值，以匹配不同厂商或不同型号Nand Flash芯片的不同指令集需求。 2）NFC寄存器值预置子模块 该模块包含2个函数（函数说明请详见论文P3435），主要实现NF
11、C寄存器默认和非默认方式初始化。NFC寄存器详见论文附录A（P91）。,3）Nand地址序列预写入子模块 该模块包含2个函数（函数说明请详见论文P35），主要实现预置Nand0和Nand1地址空间地址扩充及预写入。NFC硬件模块在XRAM中定义了两块空间，操作Nand Flash之前，CPU将目标地址序列按规则写入Nand0或Nand1地址空间，运行微指令时，NFC会在相应时间依照微指令要求从指定地址空间取地址序列送入Nand Flash数据总线。 4）片选机制子模块 该模块包含1个函数（函数说明请详见论文P3537），主要实现Nand操作前CE的选择。为扩大产品容量，可接入多块Nand Fl
12、ash芯片，但是物理地址序列长度并未增大，须根据逻辑地址计算当前需要选择哪片Nand芯片，而后设置NFC寄存器，指定其只向该片Nand发送指令及地址序列，从而实现地址扩充即扩大容量。,5）处理数据量相关寄存器设置子模块 该模块包含3个函数（函数说明请详见论文P3841），主要实现数据在NF Buffer和其他XRAM存储区通过DMA或非DMA方式传输时，不同方向、不同模式下DMA寄存器及SFR寄存器的设置。 6）基础操作微指令预置子模块 该模块包含3个函数（函数说明请详见论文P4245），主要实现NFC微指令系统下的Nand读、写和擦除微指令向指令空间的预写入。,功能接口模块可划分为如下子模块
13、： 1）Nand Flash操作接口子模块 该模块包含4个函数（函数说明请详见论文P4651），主要实现对Host端读写Nand Flash命令的执行及目标逻辑地址等参数的接收，针对Host端需求统筹调用Nand Flash操作函数的功能。在空闲时间内，上层模块通过坏块替换和块重写接口调用相应功能函数，完成坏块替换和块重写操作。,2.2 功能接口模块,2）Nand Flash驱动程序模块上电初始化子模块 该模块包含4个函数（函数说明请详见论文P5153），通过读取sfr_gpio特殊功能寄存器，获取Nand基本操作参数。其中，bit 4代表通道模式(0：单通；1双通)；bit 5、6代表pag
14、e规格(00：512B/Page；01：1KB/Page；11：2KB/Page；10：4KB/Page)；bit 7代表每个Block内的page数(0：128Pages/ Block；1：64Pages/ Block)。然后利用该部分参数，调用读Nand函数读取Block0、空间参数存储区等保留区中数据，完成初始化参数设置。 3）物理地址格式转换子模块 该模块包含3函数（函数说明请详见论文P5354），实现不同级别物理地址结构体和UINT32类型地址之间的格式转换。,4）物理地址序列寻址子模块 该模块包含5个函数（函数说明请详见论文P5459），完成利用物理/逻辑地址映射关系的物理地址寻址
15、操作。利用程序局部性原理，以TLB作为BT表的cache，提高寻址效率，利用最近最久未使用算法LRU(Least Recently Used)进行TLB满情况下局部映射表替换操作。 5）存储空间管理子模块 该模块包含2个函数（函数说明请详见论文P6062），主要完成保留区所在Block的备份和维护，以及在ECC decode过程中检测出的危险Block(未出现ECC不可纠错误情况下，512byte数据ECC纠错5 bit以上)和坏Block(出现ECC不可纠错误)的重写和坏块替换操作。,6）Nand Flash操作功能子模块 该模块包含5个函数（函数说明请详见论文P6468），被操作接口子模块调用，根据接收的参数计算出需要设置给NFC和DMA寄存器的值，调用寄存器设置和基础操作微指令子模块函数完成对Nand Flash目标地址的读、写和擦除操作。在进行Nand Flash写操作时，需根据物理地址划分连续Block序列，根据划分结果分别调用不同写函数完成对序列中首个Block、中间连续若干Block和序列中尾Block的写操作。而对于序列中首尾Block非整块写入的状况，还需调用非整块操作处理函数进行操作。,根据软件整体设计思想，一次典型的数据操作流程如图所示：,谢谢！,
