2020年03月23日 | 第015课 NOR Flash操作原理及裸机程序分析

#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 Flash支持XIP，即代码可以直接在Nor Flash上执行，无需复制到内存中。这是由于NorF lash的接口与RAM完全相同，可以随机访问任意地址的数据。Nor Flash进行读操作的效率非常高，但是擦除和写操作的效率很低，另外，Nor Flash的容量一般比较小。NAND Flash进行擦除和写操作的效率更高，并且容量更大。一般而言，Nor Flash用于存储程序，NAND Flash用于存储数据。基于NAND Flash的设备通常也要搭配Nor Flash以存储程字。

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：

1）.当执行过
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：

1).U-BOOT执行完上述指令后，0x1234，就被写到0x100000地址处，

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] = '';

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("nr");

118 }

119 }

120 printf("nr");

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 flashnr");

240 printf("[e] Erase nor flashnr");

241 printf("[w] Write nor flashnr");

242 printf("[r] Read nor flashnr");

243 printf("[q] quitnr");

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("nrg_A = ");

20 printHex(g_A);

21 puts("nr");

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);