如何编写linux下nand flash驱动-3

【读（read）操作过程详解】

以最简单的read操作为例，解释如何理解时序图，以及将时序图

中的要求，转化为代码。

解释时序图之前，让我们先要搞清楚，我们要做的事情：那就是，要从nand flash的某个页里面，读取我们要的数据。

要实现此功能，会涉及到几部分的知识，至少很容易想到的就是：需要用到哪些命令，怎么发这些命令，怎么计算所需要的地址，怎么读取我们要的数据等等。

下面，就一步步的解释，需要做什么，以及如何去做：

1.需要使用何种命令

首先，是要了解，对于读取数据，要用什么命令。

下面是datasheet中的命令集合：

图5.Nand Flash K9K8G08U0A的命令集合

很容易看出，我们要读取数据，要用到Read命令，该命令需要2个周期，第一个周期发0x00，第二个周期发0x30。

2.发送命令前的准备工作以及时序图各个信号的具体含义

知道了用何命令后，再去了解如何发送这些命令。

[小常识]

在开始解释前，多罗嗦一下”使能”这个词，以便有些读者和我以前一样，在听这类虽然对于某些专业人士说是属于最基本的词汇了，但是对于初次接触，或者接触不多的人来说，听多了，容易被搞得一头雾水：使能（Enable），是指使其（某个信号）有效，使其生效的意思，“使其”“能够”怎么怎么样。。。。比如，上面图中的CLE线号，是高电平有效，如果此时将其设为高电平，我们就叫做，将CLE使能，也就是使其生效的意思。

图6.Nand Flash数据读取操作的时序图

注：此图来自三星的型号K9K8G08U0A的nand flash的数据手册(datasheet)。

我们来一起看看，我在图6中的特意标注的①边上的黄色竖线。

黄色竖线所处的时刻，是在发送读操作的第一个周期的命令0x00之前的那一刻。

让我们看看，在那一刻，其所穿过好几行都对应什么值，以及进一步理解，为何要那个值。

（1）黄色竖线穿过的第一行，是CLE。还记得前面介绍命令所存使能（CLE）那个引脚吧？CLE，将CLE置1，就说明你将要通过I/O复用端口发送进入Nand Flash的，是命令，而不是地址或者其他类型的数据。只有这样将CLE置1，使其有效，才能去通知了内部硬件逻辑，你接下来将收到的是命令，内部硬件逻辑，才会将受到的命令，放到命令寄存器中，才能实现后面正确的操作，否则，不去将CLE置1使其有效，硬件会无所适从，不知道你传入的到底是数据还是命令了。

（2）而第二行，是CE#，那一刻的值是0。这个道理很简单，你既然要向Nand Flash发命令，那么先要选中它，所以，要保证CE#为低电平，使其有效，也就是片选有效。

（3）第三行是WE#，意思是写使能。因为接下来是往nand Flash里面写命令，所以，要使得WE#有效，所以设为低电平。

（4）第四行，是ALE是低电平，而ALE是高电平有效，此时意思就是使其无效。而对应地，前面介绍的，使CLE有效，因为将要数据的是命令，而不是地址。如果在其他某些场合，比如接下来的要输入地址的时候，就要使其有效，而使CLE无效了。

（5）第五行，RE#，此时是高电平，无效。可以看到，知道后面低6阶段，才变成低电平，才有效，因为那时候，要发生读取命令，去读取数据。

（6）第六行，就是我们重点要介绍的，复用的输入输出I/O端口了，此刻，还没有输入数据，接下来，在不同的阶段，会输入或输出不同的数据/地址。

（7）第七行，R/B#,高电平，表示R（Ready）/就绪，因为到了后面的第5阶段，硬件内部，在第四阶段，接受了外界的读取命令后，把该页的数据一点点送到页寄存器中，这段时间，属于系统在忙着干活，属于忙的阶段，所以，R/B#才变成低，表示Busy忙的状态的。

介绍了时刻①的各个信号的值，以及为何是这个值之后，相信，后面的各个时刻，对应的不同信号的各个值，大家就会自己慢慢分析了，也就容易理解具体的操作顺序和原理了。

3.如何计算出，我们要传入的地址

在介绍具体读取数据的详细流程之前，还要做一件事，那就是，先要搞懂我们要访问的地址，以及这些地址，如何分解后，一点点传入进去，使得硬件能识别才行。

此处还是以K9K8G08U0A为例，此nand flash，一共有8192个块，每个块内有64页，每个页是2K+64 Bytes，假设，我们要访问其中的第7000个块中的第25页中的1208字节处的地址，此时，我们就要先把具体的地址算出来：

物理地址=块大小×块号+页大小×页号+页内地址=7000×128K+64×2K+1208=0x36B204B8,接下来，我们就看看，怎么才能把这个实际的物理地址，转化为nand Flash所要求的格式。

在解释地址组成之前，先要来看看其datasheet中关于地址周期的介绍：

图7 Nand Flash的地址周期组成

结合图7和图5中的2，3阶段，我们可以看出，此nand flash地址周期共有5个，2个列(Column)周期，3个行（Row）周期。而对于对应地，我们可以看出，实际上，列地址A0~A10，就是页内地址，地址范围是从0到2047，而对出的A11，理论上可以表示2048～4095，但是实际上，我们最多也只用到了2048～2011，用于表示页内的oob区域，其大小是64字节。

对应地，A12～A30，称作页号，页的号码，可以定位到具体是哪一个页。而其中，A18～A30，表示对应的块号，即属于哪个块。

简单解释完了地址组成，那么就很容易分析上面例子中的地址了：

0x36B204B8 = 0011 0110 1011 0010 0000 0100 1011 1000，分别分配到5个地址周期就是：

1^st 周期，A7～A0        ：1011 1000 = 0x B8

2^nd周期，A11～A8       ：0000 0100 = 0x04

3^rd周期，A19～A12     ：0010 0000 = 0x20

4^th周期，A27～A20     ：0110 1011 = 0x6B

5^th周期，A30～A28     ：0000 0011 = 0x03

注意，与图7中对应的，*L，意思是地电平，由于未用到那些位，datasheet中强制要求设为0，所以，才有上面的2nd周期中的高4位是0000.其他的A30之后的位也是类似原理，都是0。

因此，接下来要介绍的，我们要访问第7000个块中的第25页中的1208字节处的话，所要传入的地址就是分5个周期，分别传入两个列地址的：0xB8，0x04，然后再传3个行地址的：0x20，0x6B，0x03，这样硬件才能识别。

4.读操作过程的解释

准备工作终于完了，下面就可以开始解释说明，对于读操作的，上面图中标出来的，1-6个阶段，具体是什么含义。

（1）      操作准备阶段：此处是读（Read）操作，所以，先发一个图5中读命令的第一个阶段的0x00,表示，让硬件先准备一下，接下来的操作是读。

（2）      发送两个周期的列地址。也就是页内地址，表示，我要从一个页的什么位置开始读取数据。

（3）      接下来再传入三个行地址。对应的也就是页号。

（4）      然后再发一个读操作的第二个周期的命令0x30。接下来，就是硬件内部自己的事情了。

（5）      Nand Flash内部硬件逻辑，负责去按照你的要求，根据传入的地址，找到哪个块中的哪个页，然后把整个这一页的数据，都一点点搬运到页缓存中去。而在此期间，你所能做的事，也就只需要去读取状态寄存器，看看对应的位的值，也就是R/B#那一位，是1还是0，0的话，就表示，系统是busy，仍在”忙“（着读取数据），如果是1，就说系统活干完了，忙清了，已经把整个页的数据都搬运到页缓存里去了，你可以接下来读取你要的数据了。

对于这里。估计有人会问了，这一个页一共2048+64字节，如果我传入的页内地址，就像上面给的1208一类的值，只是想读取1028到2011这部分数据，而不是页开始的0地址整个页的数据，那么内部硬件却读取整个页的数据出来，岂不是很浪费吗？答案是，的确很浪费，效率看起来不高，但是实际就是这么做的，而且本身读取整个页的数据，相对时间并不长，而且读出来之后，内部数据指针会定位到你刚才所制定的1208的那个位置。

（6）      接下来，就是你“窃取“系统忙了半天之后的劳动成果的时候了，呵呵。通过先去Nand Flash的控制器中的数据寄存器中写入你要读取多少个字节(byte)/字(word)，然后就可以去Nand Flash的控制器的FIFO中，一点点读取你要的数据了。

至此，整个Nand Flash的读操作就完成了。

对于其他操作，可以根据我上面的分析，一点点自己去看datasheet，根据里面的时序图去分析具体的操作过程，然后对照代码，会更加清楚具体是如何实现的。

【Flash的类型】

Flash的类型主要分两种，nand flash和nor flash。

除了网上最流行的这个解释之外：

NAND和NOR的比较

再多说几句：

1.nor的成本相对高，具体读写数据时候，不容易出错。总体上，比较适合应用于存储少量的代码。

2.Nand flash相对成本低。使用中数据读写容易出错，所以一般都需要有对应的软件或者硬件的数据校验算法，统称为ECC。由于相对来说，容量大，价格便宜，因此适合用来存储大量的数据。其在嵌入式系统中的作用，相当于PC上的硬盘，用于存储大量数据。

所以，一个常见的应用组合就是，用小容量的Nor Flash存储启动代码，比如uboot，系统启动后,初始化对应的硬件，包括SDRAM等，然后将Nand Flash上的Linux 内核读取到内存中，做好该做的事情后，就跳转到SDRAM中去执行内核了，然后内核解压（如果是压缩内核的话，否则就直接运行了）后，开始运行，在Linux内核启动最后，去Nand Flash上，挂载根文件，比如jffs2，yaffs2等，挂载完成，运行初始化脚本，启动consle交互，才运行你通过console和内核交互。至此完成整个系统启动过程。

而Nor Flash就分别存放的是Uboot，Nand Flash存放的是Linux的内核镜像和根文件系统，以及余下的空间分成一个数据区。

Nor flash，有类似于dram之类的地址总线，因此可以直接和CPU相连，CPU可以直接通过地址总线对nor flash进行访问，而nand flash没有这类的总线，只有IO接口，只能通过IO接口发送命令和地址，对nand flash内部数据进行访问。相比之下，nor flash就像是并行访问，nand flash就是串行访问，所以相对来说，前者的速度更快些。

但是由于物理制程/制造方面的原因，导致nor 和nand在一些具体操作方面的特性不同：

	NOR	NAND	（备注）
接口	总线	I/O接口	这个两者最大的区别
单个cell大小	大	小
单个Cell成本	高	低
读耗时	快	慢
单字节的编程时间	快	慢
多字节的编程时间	慢	快
擦除时间	慢	快
功耗	高	低，但是需要额外的RAM
是否可以执行代码	是	不行, 但是一些新的芯片，可以在第一页之外执行一些小的loader（1）	即是否允许，芯片内执行(XIP, eXecute In Place) (2)
位反转(Bit twiddling/bit flip)	几乎无限制	1-4次，也称作 “部分页编程限制”	也就是数据错误，0->1或1->0
在芯片出厂时候是否允许坏块	不允许	允许

表3 Nand Flash 和 Nor Flash的区别

1.       理论上是可以的，而且也是有人验证过可以的，只不过由于nand flash的物理特性，不能完全保证所读取的数据/代码是正确的，实际上，很少这么用而已。因为，如果真是要用到nand flash做XIP，那么除了读出速度慢之外，还要保证有数据的校验，以保证读出来的，将要执行的代码/数据，是正确的。否则，系统很容易就跑飞了。。。

2.       芯片内执行(XIP, eXecute In Place):

http://hi.baidu.com/serial_story/blog/item/adb20a2a3f8ffe3c5243c1df.html

【Nand Flash的种类】

具体再分，又可以分为

1)Bare NAND chips：裸片，单独的nand 芯片

2)SmartMediaCards： =裸片+一层薄塑料，常用于数码相机和MP3播放器中。之所以称smart，是由于其软件smart，而不是硬件本身有啥smart之处。^_^

3)DiskOnChip：裸片+glue logic，glue logic=硬件ECC产生器+用于静态的nand 芯片控制的寄存器+直接访问一小片地址窗口，那块地址中包含了引导代码的stub桩，其可以从nand flash中拷贝真正的引导代码。

【spare area/oob】

Nand由于最初硬件设计时候考虑到，额外的错误校验等需要空间，专门对应每个页，额外设计了叫做spare area空区域，在其他地方，比如jffs2文件系统中，也叫做oob（out of band）数据。

其具体用途，总结起来有：

1.       标记是否是坏快

2.       存储ECC数据

3.       存储一些和文件系统相关的数据，如jffs2就会用到这些空间存储一些特定信息，yaffs2文件系统，会在oob中，存放很多和自己文件系统相关的信息。