第015课 NOR Flash操作原理及裸机程序分析
2018-02-28 10:52
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第001节_Nor Flash原理及硬件操作
Nor Flash的连接线有地址线，数据线，片选信号读写信号等，Nor Flash的接口属于内存类接口，Nor Flash可以向内存一样读，但是不能像内存一样写，需要做一些特殊的操作才能进行写操作，读只需像内存一样读很简单。Nor Flash原理图如图：
Flash介绍
常用的Flash类型有Nor Flash和NAND Flash两种。Nor Flash由Intel公司在1988年发明，以替代当时在市场上占据主要地位的EPROM和E2PROM。NAND Flash由Toshiba公司在1989年发明。两者的主要差别如下表：
| - | Nor | NAND |
|---|---|---|
| XIP(代码可以直接运行) | Yes | no |
| 性能(擦除) | 非常慢(5s) | 快(3ms) |
| 性能(写) | 慢 | 快 |
| 性能(读) | 快 | 快 |
| 可靠性 | 较高，位反转的比例小于NAND Flash的10% | 比较低，位反转比较常见，必须有校验措施，比如TNR必须有坏块管理措施 |
| 可擦除次数 | 10000 ~ 100000 | 100000 ~ 1000000 |
| 生命周期 | 低于NAND Flash的10% | 是Nor Flash的10倍以上 |
| 接口 | 与RAM接口相同 | I/O接口 |
| 易用性 | 容易 | 复杂 |
| 主要用途 | 常用于保存代码和关键数 | 用于保存数据 |
| 价格 | 高 | 低 |
Flash存储器件由擦除单元（也称为块）组成，当要写某个块时，需要确保这个块己经
被擦除。Nor Flash的块大小范围为64kB、128kB：NAND Flash的块大小范围为8kB，64kB，擦/写一个Nor Flash块需4s，而擦／写一个NAND Flash块仅需2ms。Nor Flash的块太大，不仅增加了擦写时间，对于给定的写操作，Nor Flash也需要更多的擦除操作——特别是小文件，比如一个文件只有IkB，但是为了保存它却需要擦除人小为64kB—128kB的Nor Flash块。
Nor Flash的接口与RAM完全相同，可以随意访问任意地址的数据。而NAND Flash的
接口仅仅包含几个I/O引脚，需要串行地访问。NAND Flash一般以512字节为单位进行读写。这使得Nor Flash适合于运行程序，而NAND Flash更适合于存储数据。
容量相同的情况下，NAND Flash的体积更小，对于空间有严格要求的系统，NAND Flash可以节省更多空间。市场上Nor Flash的容量通常为IMB~4MB(也有32MB的Nor Flash)，NAND Flash的容量为8MB~512MB。容量的差别也使得Nor Flash多用于存储程序，NAND Flash多用于存储数据。
对于Flash存储器件的可靠性需要考虑3点：位反转、坏块和可擦除次数。所有Flash器件都遭遇位反转的问题：由于Flash固有的电器特性，在读写数据过程中，偶然会产生一位或几位数据错误（这种概率很低），而NAND Flash出现的概率远大于Nor Flash，当位反转发生在关键的代码、数据上时，有可能导致系统崩溃。当仅仅是报告位反转，重新读取即可：如果确实发生了位反转，则必须有相应的错误检测/恢复措施。在NAND Flash上发生位反转的概率史高，推荐使用EDC/ECC进行错误检测和恢复。NAND Flash上面会有坏块随机分布在使用前需要将坏块扫描出来，确保不再使用它们，否则会使产品含有严重的故障。NAND Flash每块的可擦除次数通常在100000次左右，是Nor Flash的10倍。另外，因为NAND Flash的块大小通常是NorF lash的1/8，所以NAND Flash的寿命远远超过Nor Flash。
嵌入式Linux对Nor、NAND Flash的软件支持都很成熟。在Nor Flash上常用jffs2文
件系统，而在NAND Flash常用yaffs文件系统。在更底层，有MTD驱动程序实现对它们的读、写、擦除操仵，它也实现了EDC/ECC校验。
Nor Flash的操作
下面我们使用u-boot来体验Nor Flash的操作(开发板设置Nor启动，进入u-boot)。1).使用OpenJTAG烧写UBOOT到Nor Flash
那么我们怎么用u-boot来操作呢？
Nor Flash手册里会有一个命令的表格，如图：
下面简单的举一些例子：
复位(reset)：往任何一个地址写入F0。
读ID(ReadSiliconID)：很多的Nor Flash可以配置成位宽16bit(Word)，位宽8bit(Byte)。对于我们使用的jz2440开发板使用是位宽16bit，怎样读ID呢？
根据前面得图可知，往Nor Flash的555地址写AA，再往2AA的地址写入55，再往555的地址写入90，然后就可以读ADI地址，就可以读到DDI数据了。
实例1
读数据：
在u-boot上执行：md.b0
结果(和我们烧进去的数据完全一样)：
00000000:170000ea14f09fe514f09fe514f09fe5................ 00000010:14f09fe514f09fe514f09fe514f09fe5................ 00000020:6001f833c001f8332002f8337002f833`..3...3..3...3 00000030:e002f8330004f8332004f833efbeadde...3...3..3....
可以得出结论：u-boot可以像读内存一样来读nor flash
实例2
读ID(参考Nor手册)
往地址555H写入AAH(解锁)
往地址2AAH写入55H(解锁)
往地址555H写入90H（命令）
读0地址得到厂家ID(C2H)
读1地址得到设备ID(22DAH或225BH)
退出读ID状态：给任意地址写F0H就可以了。
下图为2440和Nor Flash的简易连接图：
2440的A1接到Nor的A0所以2440发出的地址是，Nor Flash收到的地址左移一位。比如：2440发出(555H<<1)地址，Nor Flash才能收到555H这个地址。
下面对在Nor Flash的操作，2440的操作，U-BOOT上的操作进行比较，如下表：
| Nor Flash的操作 | 2440的操作 | U-BOOT上的操作 |
|---|---|---|
| 往地址555H写入AAH(解锁) | 往地址AAAH写入AAH(解锁) | mw.waaaaa |
| 往地址2AAH写入55H(解锁) | 往地址554H写入55H(解锁) | mw.w 554 55 |
| 往地址555H写入90H（命令） | 往地址AAAH写入90H（命令） | mw.w aaa 90 |
| 读0地址得到厂家ID(C2H) | 读0地址得到厂家ID(C2H) | md.w 0 1 (1:表示都一次) |
| 读1地址得到设备ID(22DAH或225BH) | 读2地址得到设备ID(22DAH或225BH) | md.w 2 1 (1:表示都一次) |
| 退出读ID状态：给任意地址写F0H就可以了 | 退出读ID状态：给任意地址写F0H就可以了 | mw.w 0 f0 |
md.w 0 1
结果(输出厂家ID)：
00000000:00c2..(00c2就是厂家ID)
2）.当执行过
md.w 2 1
结果(输出设备ID)：
00000002:2249I”(2249就是设备ID)
3）.当执行
mw.w 0 f0
就退出读ID的状态，
执行：
md.b0
结果：
00000000:17.（读到的就是Nor Flash地址·0的数据）
Nor Flash的两种规范
通常内核里面要识别一个 Nor Flash 有两种方法：一种是 jedec 探测，就是在内核里面事先定义一个数组，该数组里面放有不同厂家各个芯片的一些参数，探测的时候将 flash 的 ID 和数组里面的 ID 一一比较，如果发现相同的，就使用该数组的参数。
jedec 探测的优点就是简单，缺点是如果内核要支持的 flash 种类很多，这个数组就会很庞大。内核里面用 jedec 探测一个芯片时，是先通过发命令来获取 flash 的 ID，然后和数组比较，但是 flash.c 中连 ID 都是自己通过宏配置的。
一种是 CFI(common flash interface)探测，就是直接发各种命令来读取芯片的信息，比如 ID、容量等，芯片本身就包含了电压有多大，容量有有多少等信息。
下面对在Nor Flash上操作，2440上操作，U-BOOT上操作cfi 探测（读取芯片信息）进行比较参考芯片手册。
| Nor Flash上操作cfi | 2440上操作cfi | U-BOOT上操作cfi |
|---|---|---|
| 往55H地址写入98H | 往AAH地址写入98H | mw.w aa 98 |
| 读地址10H得到0051 | 读地址20H得到0051 | md.w 20 1 |
| 读地址11H得到0052 | 读地址22H得到0052 | md.w 22 1 |
| 读地址12H得到0059 | 读地址24H得到0059 | md.w 24 1 |
| 读地址27H得到容量 | 读地址4EH得到容量 | md.w 4e 1 |
Nor Flash写数据
我们在Nor Flash的10000的地址读数据，md.w 100000 1
结果：
00100000:ffff..
在Nor flash的10000的地址写数据下0x1234，
mw.w 100000 1234
然后在这个地址读数据，
md.w 100000 1
结果：
00100000:ffff(这个地址上的数据没有被修改，写操作无效)。
怎样把数据写进Nor Flash进去呢？
写数据之前必须保证，要写的地址是擦除的。
下面是Nor Flash的写操作，如下表：
| Nor Flash上操作写操作 | 2440上操作写操作 | U-BOOT上操作写操作 |
|---|---|---|
| 往地址555H写AAH(解锁) | 往地址AAAH写AAH(解锁) | mw.w aaa aa |
| 往地址2AAH写55H(解锁) | 往地址554H写55H(解锁) | mw.w 554 55 |
| 往地址555H写A0H | 往地址AAAH写A0H | mw.w aaa a0 |
| 往地址PA写PD | 往地址0x100000写1234h | mw.w 100000 1234 |
执行：
md.w1000001
结果(1234被写进去)：
00100000:1234 4
从这里可以看出来U-BOOT的操作不是很复杂。
2）.我们再次往0x100000地址处，写入0x5678,执行如下命令：
mw.w aaa aa
mw.w 554 55
mw.w aaa a0
mw.w 100000 5678
查看0x100000地址处的数据
md.w 100000 1
结果：
00100000:12300.
0x100000地址处的数据不是0x5678，写操作失败，失败的原因是，原来的数据已经是0x1234不是全0xffff，再次写操作失败，(Nor Flash只有先擦出，才能烧写)。
先擦除(参考Nor Flash芯片手册)
Nor Flash操作 u-boot操作
555H AAH mw.w aaa aa
2AAH 55H mw.w 554 55
555H 80H mw.w aaa 80
555H AAH mw.w aaa aa
2AAH 55H mw.w 554 55
SA 30H //往扇区地址写入30 mw.w 100000 30
执行完上述指令后测试
执行：
md.w 100000 1
结果：
00100000:ffff..
已被擦除，这个时候再次烧写就不会有问题了。
再烧写
mw.w aaa aa
mw.w 554 55
mw.w aaa a0
mw.w 100000 5678
测试烧写结果
执行：
md.w 100000 1
结果：
00100000:5678 xV
数据被烧写进去，烧写成功。
总结：我们烧写时，如果上面的数据，不是0ffff,没有被擦除过，我们就要先擦出，擦除完后，才可以烧写，擦除烧写的命令可以从芯片手册里面获得。
= 第002节Nor Flash编程识别 =
本节实例的目的目的：识别nor flash
发送命令函数
nor_cmd函数代码如下，往NOR Flash某个地址发送指令，
16
17 /* offset是基于NOR的角度看到 */
18 void nor_cmd(unsigned int offset, unsigned int cmd)
19 {
20 nor_write_word(NOR_FLASH_BASE, offset, cmd);
21 }读取函数
nor_read_word函数是从NOR Flash 读取两个字节（本开发板位宽16bit），读取数据的地址，是基于2440，所以读取NOR Flash某个地址上的数据时，需要把NOR Flash对应的地址左移一位(地址乘以2)。
23 unsigned int nor_read_word(unsigned int base, unsigned int offset)
24 {
25 volatile unsigned short *p = (volatile unsigned short *)(base + (offset << 1));
26 return *p;
27 }读取地址中的数据
向nor_dat函数中写入NOR Flash某个地址，返回该NOR Flash地址上的数据。
29 unsigned int nor_dat(unsigned int offset)
30 {
31 return nor_read_word(NOR_FLASH_BASE, offset);
32 }进入NOR FLASH的CFI模式，读取各类信息
do_scan_nor_flash函数代码如下，该函数的功能：进入CFI模式读取NOR Flash中的厂家ID，设备ID,容量等信息。
50/* 进入NOR FLASH的CFI模式
51 * 读取各类信息
52 */
53 void do_scan_nor_flash(void)
54 {
55 char str[4];
56 unsigned int size;
57 int regions, i;
58 int region_info_base;
59 int block_addr, blocks, block_size, j;
60 int cnt;
61
62 int vendor, device;
63
64 /* 打印厂家ID、设备ID */
65 nor_cmd(0x555, 0xaa); /* 解锁 */
66 nor_cmd(0x2aa, 0x55);
67 nor_cmd(0x555, 0x90); /* read id */
68 vendor = nor_dat(0);
69 device = nor_dat(1);
70 nor_cmd(0, 0xf0); /* reset */
71
72 nor_cmd(0x55, 0x98); /* 进入cfi模式 */
073
74 str[0] = nor_dat(0x10);
75 str[1] = nor_dat(0x11);
76 str[2] = nor_dat(0x12);
77 str[3] = '\0';
78 printf("str = %s", str);
79
80 /* 打印容量 */
81 size = 1<<(nor_dat(0x27));
82 printf("v=0x%x,d=0x%x,s=0x%x,%dM",vendor,device,size,size/(1024*1024));
83
84 /* 打印各个扇区的起始地址 */
85 /* 名词解释:
86 * erase block region : 里面含有1个或多个block, 它们的大小一样
87 * 一个nor flash含有1个或多个region
88 * 一个region含有1个或多个block(扇区)
89
90 * Erase block region information:
91 * 前2字节+1 : 表示该region有多少个block
92 * 后2字节*256 : 表示block的大小
93 */
94
95 regions = nor_dat(0x2c);
96 region_info_base = 0x2d;
97 block_addr = 0;
98 printf("Block/Sector start Address:");
99 cnt = 0;
100 for (i = 0; i < regions; i++)
101 {
102 blocks = 1 + nor_dat(region_info_base) + (nor_dat(region_info_base+1)<<8);
103 block_size=256*(nor_dat(region_info_base+2)+(nor_dat(region_info_base+3)<<8));
104 region_info_base += 4;
105
106 //printf("…………");
107
108 for (j = 0; j < blocks; j++)
109 {
110 /* 打印每个block的起始地址 */
111 //printf("0x%08x ", block_addr);
112 printHex(block_addr);
113 putchar(' ');
114 cnt++;
115 block_addr += block_size;
116 if (cnt % 5 == 0)
117 printf("\n\r");
118 }
119 }
120 printf("\n\r");
121 /* 退出CFI模式 */
122 nor_cmd(0, 0xf0);
123 }第65，66行 这两步是解锁，解锁之后就进入读ID状态，就可以读取厂家和设备ID了。
第68行 是把读取到的厂家ID的值，复制给vendor变量。
第69行 是把读取到的设备ID的值，复制给device变量。
第70行 退出读ID状态: 给任意地址写F0H。
第72行,往地址0x55地址写入数据0x98,是进入cfi模式。
第74，75，76行是读取NOR Flash地址0x10,0x11,x012中的字符，赋值给字符串str。
第81行，根据芯片手册可知道，读取NOR Flash地址0x27处的数据，得到的是NOR Flash容量大小2的幂数，所以把1左移读取到的数据，就可得到NOR Flash的容量。
第95行读取NOR Flash地址0x2c地址中的数据，可以得到NOR Flash中有多少region。
第102行根据Erase block region information:的信息可以知道读取[2E,2D]这两个字节的地址+1，可以得到一个region有多少block(参考芯片手册)。代码中的region_info_base变量的值是0x2d,0x2d是前两个字节中的低字节，0x2e是前两个字节中的高字节，所以需要左移8位，然后加上1就得到了一个region有多少block.。
第103行参考芯片手册，读取[30,2F]这两个字节地址，然后乘上256就可以得到一个块的大小。
第104行，地址加4，读取下一个region有多少block和每个block的大小。
第112,115行，由于NOR Flash的基地址是0，所以第一个block的首地址是0，下一个block的首地址，就是上一个block的首地址加上block的大小。
第112行往0地址写入0xf0,退出CFI模式。
Nor Flash的测试
nor_flash_test函数通过switch语句，分别处理识别NOR Flash，擦除NOR Flash某个扇区，编写某个地址，读某个地址。代码如下：
232 void nor_flash_test(void)
233 {
234 char c;
235
236 while (1)
237 {
238 /* 打印菜单, 供我们选择测试内容 */
239 printf("[s] Scan nor flash\n\r");
240 printf("[e] Erase nor flash\n\r");
241 printf("[w] Write nor flash\n\r");
242 printf("[r] Read nor flash\n\r");
243 printf("[q] quit\n\r");
244 printf("Enter selection: ");
245
246 c = getchar();
247 printf("%c", c);
248
249 /* 测试内容:
250 * 1. 识别nor flash
251 * 2. 擦除nor flash某个扇区
252 * 3. 编写某个地址
253 * 4. 读某个地址
254 */
255 switch (c)
256 {
257 case 'q':
258 case 'Q':
259 return;
260 break;
261
262 case 's':
263 case 'S':
264 do_scan_nor_flash();
265 break;
266
267 case 'e':
268 case 'E':
269 do_erase_nor_flash();
270 break;
271
272 case 'w':
273 case 'W':
274 do_write_nor_flash();
275 break;
276
277 case 'r':
278 case 'R':
279 do_read_nor_flash();
280 break;
281 default:
282 break;
283 }
284 }
285 }主函数
main函数代码如下所示。把timer中断去掉，否则: 测试NOR Flash时进入CFI等模式时, 如果发生了中断，cpu必定读NOR Flash，那么读不到正确的指令，导致程序崩溃。
12 int main(void)
13 {
14 led_init();
15 //interrupt_init(); /* 初始化中断控制器 */
16 key_eint_init(); /* 初始化按键, 设为中断源 */
17 //timer_init();
18
19 puts("\n\rg_A = ");
20 printHex(g_A);
21 puts("\n\r");
22
23 nor_flash_test();
24
25 return 0;
26 }第003节Nor Flash编程擦写读
本实例的目的目的：擦除nor flash某个扇区，编写某个地址，读某个地址。等待烧写
等待烧写完成 : 读数据, Q6无变化时表示结束 (参考芯片手册)，
35 void wait_ready(unsigned int addr)
36 {
37 unsigned int val;
38 unsigned int pre;
39
40 pre = nor_dat(addr>>1);
41 val = nor_dat(addr>>1);
42 while ((val & (1<<6)) != (pre & (1<<6)))
43 {
44 pre = val;
45 val = nor_dat(addr>>1);
46 }
47}擦除NOR Flash 某个扇区
do_erase_nor_flash函数的代码如下。参考芯片手册，就可以知道擦除某个扇区，还是相对比较简单的。
125 void do_erase_nor_flash(void)
126 {
127 unsigned int addr;
128
129 /* 获得地址 */
130 printf("Enter the address of sector to erase: ");
131 addr = get_uint();
132
133 printf("erasing ...");
134 nor_cmd(0x555, 0xaa); /* 解锁 */
135 nor_cmd(0x2aa, 0x55);
136 nor_cmd(0x555, 0x80); /* erase sector */
137
138 nor_cmd(0x555, 0xaa); /* 解锁 */
139 nor_cmd(0x2aa, 0x55);
140 nor_cmd(addr>>1, 0x30); /* 发出扇区地址 */
141 wait_ready(addr);
142 }第131行，get_uint函数用于获取输入的地址。
第134,135这两行是解锁。
第136行是erase sector。
第138,139行是再次解锁。
第140行是对发出的扇区地址。
第 141行等待擦除完成。
写NOR Flash
do_write_nor_flash的代码如下所示，开发板上的NOR Flash的位宽是16bit,所以可以把要写的数据构造出16bit然后在写进NOR Flash中。
144 void do_write_nor_flash(void)
145 {
146 unsigned int addr;
147 unsigned char str[100];
148 int i, j;
149 unsigned int val;
150
151 /* 获得地址 */
152 printf("Enter the address of sector to write: ");
153 addr = get_uint();
154
155 printf("Enter the string to write: ");
156 gets(str);
157
158 printf("writing ...\n\r");
159
160 /* str[0],str[1]==>16bit
161 * str[2],str[3]==>16bit
162 */
163 i = 0;
164 j = 1;
165 while (str[i] && str[j])
166 {
167 val = str[i] + (str[j]<<8);
168
169 /* 烧写 */
170 nor_cmd(0x555, 0xaa); /* 解锁 */
171 nor_cmd(0x2aa, 0x55);
172 nor_cmd(0x555, 0xa0); /* program */
173 nor_cmd(addr>>1, val);
174 /* 等待烧写完成 : 读数据, Q6无变化时表示结束 */
175 wait_ready(addr);
176
177 i += 2;
178 j += 2;
179 addr += 2;
180 }
181
182 val = str[i];
183 /* 烧写 */
184 nor_cmd(0x555, 0xaa); /* 解锁 */
185 nor_cmd(0x2aa, 0x55);
186 nor_cmd(0x555, 0xa0); /* program */
187 nor_cmd(addr>>1, val);
188 /* 等待烧写完成 : 读数据, Q6无变化时表示结束 */
189 wait_ready(addr);
190 }第153行把通过get_uint获得的地址赋值给addr变量，
第156行通过gets函数获得输入的字符串。
第168行两个8位的数据，组合成一个16位的数据赋值给变量val。
读NOR Flash
do_read_nor_flash函数代码如下，由于NOR Flash是内存类接口，可以像内存一样读取。
191 void do_read_nor_flash(void)
192 {
193 unsigned int addr;
194 volatile unsigned char *p;
195 int i, j;
196 unsigned char c;
197 unsigned char str[16];
198
199 /* 获得地址 */
200 printf("Enter the address to read: ");
201 addr = get_uint();
202
203 p = (volatile unsigned char *)addr;
204
205 printf("Data : \n\r");
206 /* 长度固定为64 */
207 for (i = 0; i < 4; i++)
208 {
209 /* 每行打印16个数据 */
210 for (j = 0; j < 16; j++)
211 {
212 /* 先打印数值 */
213 c = *p++;
214 str[j] = c;
215 printf("%02x ", c);
216 }
217
218 printf(" ; ");
219
220 for (j = 0; j < 16; j++)
221 {
222 /* 后打印字符 */
223 if (str[j] < 0x20 || str[j] > 0x7e) /* 不可视字符 */
224 putchar('.');
225 else
226 putchar(str[j]);
227 }
228 printf("\n\r");
229 }第201行中的get_uint函数，从串口中获得输入的地址。
第203行，强制类型转化。
第207行~216行是对NOR Flash内容的读取，输出的内容为16进制的数据，由于NOR Flash是内存类接口，可以像内存一样读取。
第220行~227输出NOR Flash的内容为字符型数据，其中的第223行用来判断，输出的字符是否为不可视字符，要是为不可视字符输出点’.’,要是可视字符输出字符。
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