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STM32增强型微控制器访问NAND Flash学习笔记

作者:小邓   来源:会员上传   点击数:x  更新时间:2014年05月19日   【字体:

 

一、了解NAND Flash
 
Flash即是存储芯片的一种,其结合了ROM和RAM的特点,既具备电可擦除编程的性能,又可以快速读取数据,数据不会因断电丢失。目前市面上Flash主要有NOR Flash和NAND Flash。
简单的理解就是,NOR Flash具有随机存取和随字节执行写操作的能力,即可以访问到存储器内部的任意一个字节,且具有读取速度快等特点,它占据1MB—16MB闪存的大部分市场,根据其读取数据速度快的特点主要应用在代码存储;而NAND Flash以“页”为单位进行对数据的读写操作,且具有写入和擦除速度快等特点,它应用在8MB—256MB的产品中,根据其特点主要应用在数据存储上。
以型号HY27UF081G2A的NAND Flash芯片为例,其总线宽度为8bit,总内存大小为1Gbit(即128MB),共分为1024块(Block),每块又分为64页(Page),每页共2KB(main memory)+64B(spare memory),main memory用来存放数据,spare memory用来标记已坏的块区和保存对main memory的ECC校验码等(正常情况下不用)。更多的HY27UF081G2A资料参照相关Datasheet。
 
二、了解HY27UF081G2A芯片引脚功能和NAND Flash接口时序及控制命令
1、引脚说明

图1  引脚图
图2  引脚名称

 
 
      2、地址周期

图3  地址周期

其中A10—A0表示页内地址偏移(表示0—2047字节,1页大小即为2K)
      A11表示上半页或者下半页(这位程序员无需关心,决定A10—A0时也间接决定了A11)
      A17—A12表示页地址(表示0—63页)
      A27—A18表示块地址(表示0—1023块)
由于NAND Flash访问的单位是“页”,设置访问地址时只需要确定A27—A12的值即可确定到某一页,如果要从页内的某一位置开始访问,则根据需要设置A10—A0位来确定从页内第几个字节开始访问,如:要访问存储空间为第3块的第5页,且从第100字节开始进行访问,则对应的4个Cycle周期的地址信号为:1 st :0x64  , 2 nd :0x00     3 rd :0xC5    4th :0x00
 
3、了解控制命令,如下所示

图4  控制命令

 
4、了解接口时序,对该存储器进行访问操作有读取芯片ID、读页数据、写页数据,块擦除等共有13种,每种不同的操作对应不用的接口时序,此处只例举其中的4种操作:读取芯片ID、读页数据、写页数据、块擦除相应的接口时序图,更多操作参阅其Datasheet。

图5  读取芯片ID时序
图6  读取一页数据
图7  写一页数据(页编程)
图8  块擦除
 

同时应注意一些时序参数,如在上几幅时序图中出现的tAR(ALE至~RE的延时),tCLR(CLE至~RE的延时)等等,这些时间参数都有不同的取值范围(ns级别),时序图中出现的Col Add1、Col Add2为列地址表示页内地址偏移,对应4个Cycle地址中的第1、第2个,Row Add1、Row Add2为行地址标识某块某页地址,对应4个Cycle地址中的第3、第4个。更多详细资料参见相关Datasheet。
 
三、STM32F10x增强型控制器的FSMC模块
      FSMC(可变静态存储控制器)是STM32系列微控制器采用的一种新型的存储器扩展技术,可根据系统的需要方便的进行不用类型大容量静态存储器的扩展;简单的理解FSMC模块可对多种外接存储器进行控制,其主要包括NOR Flash、NAND Flash、PC卡,下面对访问NANDFlash介绍。
 
1、STM32F10x控制器与HY27UF081G2A的对接
先看STM32F10x控制器提供的NAND Flash接口(这里为8位的NAND闪存)

图9  STM32F10x控制器的NAND Flash接口

接口各信号对应的GPIO口为:
A[17] : PD12
A[16] : PD11
D[0:7] : PD14,PD15,PD0,PD1,PE7,PE8,PE9,PE10
NCE[x] : 这里使用NCE[2],对应GPIO口为PD7
NOE(=NER) : PD4
NWE : PD5
NWAIT/INT[3:2] : PD6(根据情况使用该引脚信号,这里不使用)
 
结合HY27UF081G2A的引脚功能说明,STM32与HY27UF081G2A的连线方式选择如下:
            STM32F10x的NAND接口                  HY27UF081G2A引脚
                  D[0:7]------------------------------------------IO0~IO7
                  A[17]-------------------------------------------ALE
                  A[16]-------------------------------------------CLE这里使用PG6接到R/~B,在检测NAND Flash
                  NEC[2]------------------------------------------~CE
                  NOE---------------------------------------------~RE
                  NWE--------------------------------------------~WE
PG6---------------------------------------------R/~B(是否忙时直接读取PG6引脚上的电平来判断)
 
2、NAND地址映像及功能介绍

图10  存储器映像和时序寄存器(这里只用块2来控制访问NAND Flash)

 
通用和属性空间又可以在低256K字节部分画分为三个区

图11  存储块选择

应用软件使用这三个区访问NAND Flash存储器:
发送命令至NAND Flash:对命令区任意地区写入命令即可。
指定NAND Flash的地址:对地址区任意地址写入地址命令即可,一个NAND地址有4或5个字节(这里使用的HY27UF081G2A芯片为4个字节),需要连续地执行对地址区的写才能输出完整的操作地址。
    读写数据:软件只需对数据区任意一个地址写入或读出数据即可。
注:因为NAND Flash存储器自动累加其内部的操作地址,读写数据时没有必要变换数据区的地址,即不必对连续的地址区操作;应用软件使用这三个区进行访问NAND Flash之前要先完成对相应的管理寄存器的初始化配置,下面介绍相应的管理配置寄存器。
 
3、STM32的NAND Flash存储器块通过以下一组寄存器来管理配置
控制寄存器:FSMC_PCRx
中断状态寄存器:FSMC_SRx
ECC寄存器:FSMC_ECCRx
通用存储器空间的时序寄存器:FSMC_MEMx
属性存储器空间的时序寄存器:FSMC_PATTx
I/O空间的时序寄存器:FSMC_PIOx
注:这里用的是块2部分,因此上面寄存器中的x=2。
 
对于要只控制NAND Flash存储器,上面的三个时序寄存器中只用到FSMC_MEMx,配置该寄存器来控制NAND通用存储空间的访问时序,该寄存器中保存着访问时序的4个时间参数(MEMsSET+1、MEMxHIZ+1、MEMxWAIT+1、MEMxHOLD+1),每个时间参数的具体说明可参阅STM32相应Datasheet。访问时序图如下:

图12  STM32的NAND通用存储空间的访问时序

 
对NAND Flash的简单控制访问(读、写、擦除等)这里只需要配置FSMC_PCRx和FSMC_MEMx这两个寄存器就够了,对NAND Flash复杂的控制访问(检测坏块、ECC校验等)此处不做研究。FSMC_PCRx和FSMC_MEMx寄存器功能参阅STM32相关Datasheet。
 
四、STM32F10x控制器访问HY27UF081G2A过程
针对于简单的读、写、擦除等访问,则过程为:
1、管理寄存器FSMC_PCRx和FSMC_MEMx初始化
      2、通过访问通用空间的命令区、数据区、地址区完成对NAND Flash的读、写、擦除等操作。
 
软件实现过程:(在此之前要完成系统时钟配置、相应的总线时钟使能、相应GPIO口的初始化工作,这里不再进行说明)
1、管理寄存器FSMC_PCRx和FSMC_MEMx初始化
FSMC_PCRx = 0x00060048;
(设置ECC页面大小2048字节、ALE至~RE的延时为1个HCLK,CLE至~RE的延时为1个HCLK,使能ECC电路,设置总线宽度为8位,设置存储器类型为NAND Flash,关闭模块功能,关闭模块等待功能)
  FSMC_MEMx = 0x01020301;      //设置MEMsSET+1 = 4个HCLK、MEMxHIZ+1 = 3个HCLK、
//MEMxWAIT+1 = 4个HCLK、MEMxHOLD+1 = 4个HCLK
FSMC_PCRx |= 0x00000002;      //使能模块功能

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