GD32F3開發(fā)進階教程 課件 ch05讀寫NAND Flash實驗

讀寫NAND

Flash實驗“第五章《GD32F3開發(fā)進階教程——基于GD32F303ZET6》01實驗內(nèi)容本章主要介紹NANDFlash片的原理和用法，包括NANDFlash簡介、ECC校驗的原理和FTL算法的作用等;介紹外部NANDFlash的讀寫操作;最后基于GD32F3果派開發(fā)板設(shè)計一個讀寫NANDFlash實驗，通過操作LCD屏上的GUI界面，演示NANDFlash的讀寫操作。實驗內(nèi)容02實驗原理Flash又稱為閃存，屬于電不易失的存儲器(ROM)。Flash與EEPROM都是可重復(fù)擦寫的存儲器，但其容量一般比EEPROM大。GD32F30x系列微控制器內(nèi)部集成了Flash，用來存儲用戶燒錄的代碼和芯片的啟動代碼等需要關(guān)閉電源后依然保存的數(shù)據(jù)。根據(jù)存儲單元電路的不同，F(xiàn)lash可以分為NORFlash和NANDFlash。兩種Flash的對比如表5-1所示，根據(jù)地址線和數(shù)據(jù)線是否復(fù)用可判斷Flash的種類。Flash簡介Flash簡介由于NANDFlash引腳上可復(fù)用，因此讀取速度比NORFlash慢，但是擦除和寫入速度更快，并且由于NANDFlash內(nèi)部電路簡單，數(shù)據(jù)密度大，體積小，成本低，因此大容量的Flash都是NAND型的，而小容量(例如2~12MB)的Flash大多為NOR型的在使用壽命上，NANDFlash的可擦除次數(shù)是NORFlash的數(shù)倍。另外，NANDFIash可以標(biāo)記壞塊，從而使軟件跳過壞塊，而NORFlash一旦損壞則無法再使用。Flash簡介HY27UF081G2A芯片為Hynix(海力士公司生產(chǎn)的容量為128MB的NANDFlash芯片其128MB存儲空間由1024個Block組成，每Block由64個Page組成每個Page由2KB的存儲空間和64B的空閑區(qū)域(或稱余區(qū)域)組成64B的空閑區(qū)域是基于NANDFlash的硬件特性(數(shù)據(jù)在讀/寫時相對容易出現(xiàn)錯誤)而設(shè)立的。這種為了保證數(shù)據(jù)的正確性而產(chǎn)生的檢測和糾錯機制被稱為EDC(ErrorDetection

Code)，而空閑區(qū)域用于放置數(shù)據(jù)的校驗值以供EDC機制進行檢測糾錯。HY27UF081G2A芯片簡介HY27UF081G2A芯片簡介HY27UF081G2A芯片通過EXMC(外部存儲器控制器)接口與GD32F303ZET6微控制器的AHB總線接口相連，具體電路原理圖如圖5-1所示。HY27UF081G2A芯片簡介HY27UF081G2A芯片的各個引腳描述如表5-2所示，其中R/B引腳用于檢測芯片狀態(tài)當(dāng)該引腳為高電平時，可進行讀/寫等操作，當(dāng)該引腳為低電平時，芯片正在運行，此時不可對其進行操作。NANDFlash串行組織的存儲結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)讀取時，讀出放大器所檢測的信號強度會被削弱，降低信號的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致讀數(shù)出錯，通常采用ECC算法進行數(shù)據(jù)檢測及校準(zhǔn)。ECC(ErrorCheckingandCorre-ction)是一種錯誤檢測和校準(zhǔn)的算法。NANDFlash數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯誤時一般只有1bit出錯，而ECC能正1bit錯誤和測2bit的錯誤，并且計算速度快，但缺點是無法糾正1bit以上的錯誤，且不確保能檢測全部2bit以上的錯誤。ECC算法ECC算法ECC算法的基本原理如下:假設(shè)對512個字節(jié)的數(shù)據(jù)進行校驗，那么將這些數(shù)據(jù)視為512行、8列的矩陣，即每行表示1字節(jié)數(shù)據(jù)，矩陣的每個元素表示1位(bit)，如圖5-2所示校驗過程分為行校驗和列校驗(下面將bitn中的n稱為索引值)。010203全為0表示數(shù)據(jù)無錯誤。一半為1時，表示出現(xiàn)了1bit的錯誤，新得到的校驗值與讀取到的校驗值中的CP5、CP3、CP1進行異或得3bit數(shù)據(jù)為錯誤位的列地址，RP(2log2"-1)...、RP5、RP3、RP1進行異或得到的數(shù)據(jù)為錯誤位的行地址。只有1位為1表示空閑區(qū)域出現(xiàn)錯誤。ECC算法校驗值進行異或得到的結(jié)果有以下幾種:04其他情況則說明至少2bit數(shù)據(jù)錯誤。般器件在存儲范圍內(nèi)同時出現(xiàn)2bit及以上的錯誤很少見，因此漢明碼編碼的ECC校驗基本上夠用。EXMC模塊中的Bank1和Bank2都包含帶有ECC算法的硬件模塊，通過寄存器EXMC_NPCTLx中的ECCSZ來選擇ECC計算的頁面大小可選項有2565121024、2048、4096和8192字節(jié)，該寄存器中各個位的具體描述可參見《GD32F30x用戶手冊(中文版)》中的21.4.2節(jié)。本章實驗將ECC塊大小配置為512字節(jié)。ECC算法010203標(biāo)記壞塊:當(dāng)通過讀寫數(shù)據(jù)或ECC校驗檢測出壞塊時，需要將其標(biāo)記以不再對該區(qū)域進行讀寫操作。地址映射管理：FTL將邏輯地址映射到NANDFlash中可讀寫的物理地址，并創(chuàng)建相應(yīng)的映射表，當(dāng)處理器對相應(yīng)的邏輯地址讀寫數(shù)據(jù)時，實際上是通過FTL讀寫NANDFlash中對應(yīng)的物理地址的。壞塊管理和磨損均衡壞塊管理:當(dāng)壞塊產(chǎn)生后，用空閑并且可讀寫的塊替代壞塊在映射表中的位置，保證每個邏輯地址都映射到可讀寫的物理地址。FTL原理FTL的功能如下:FTL原理HY27UF081G2A芯片通信方式Bank1包含3個特殊區(qū)域:數(shù)據(jù)區(qū)域、指令區(qū)域和地址區(qū)域，如圖5-4所示。下面介紹各個區(qū)域的功能:數(shù)據(jù)區(qū)域:儲存讀寫的數(shù)據(jù)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)通過程序進行寫入與讀出。當(dāng)EXMC在數(shù)據(jù)發(fā)送模式時，軟件需要在數(shù)據(jù)區(qū)域?qū)懭霐?shù)據(jù):當(dāng)EXMC在數(shù)據(jù)接收模式時，軟件需要在數(shù)據(jù)區(qū)域讀取數(shù)據(jù)。由于NANDFlash會自動累加其內(nèi)部操作地址，故在讀寫時不需要軟件修改操作地址。指令區(qū)域:儲存操作指令，操作指令通過程序?qū)懭朐搮^(qū)域。在指令傳輸過程中，EXMC會使能指令鎖存信號(CLE)，CLE映射到EXMCA16]地址區(qū)域:儲存操作地址，操作地址通過程序?qū)懭朐搮^(qū)域。在地址傳輸過程中，EXMC會使能地址鎖存信號(ALE)，ALE映射到EXMCA17]。HY27UF081G2A芯片通信方式AHB通過HADDR[17:16]選擇以上3個區(qū)域來進行操作:HADDR[17:161=00，即選擇數(shù)據(jù)區(qū)域；HADDR[17:167=01，即選擇指令區(qū)域；HADDR[17:16]=1X，即選擇地址區(qū)域。HY27UF081G2A芯片通信方式對于每個Bank，EXMC提供獨立的寄存器來配置訪問時序，支持8位、16位的NANDFlash，對于NANDFlash，EXMC還提供ECC計算模塊，保證數(shù)據(jù)傳輸和保存的魯棒性(魯棒性是指外部環(huán)境較差時仍能保持其功能穩(wěn)性、正常地發(fā)揮)。本實驗使用的NANDFIash為8位的芯片。EXMC與NANDFash的接口信號描述如表5-3所示。HY27UF081G2A芯片通信方式HY27UF081G2A芯片通信方式a由于NANDFlash引腳上可復(fù)用，因此讀取速度比NORFlash慢，但是擦除和寫入速度更快，并且由于NANDFlash內(nèi)部電路簡單，數(shù)據(jù)密度大，體積小，成本低，因此大容量的Flash都是NAND型的，而小容量(例如2~12MB)的Flash大多為NOR型的在使用壽命上，NANDFlash的可擦除次數(shù)是NORFlash的數(shù)倍。另外，NANDFIash可以標(biāo)記壞塊，從而使軟件跳過壞塊，而NORFlash一旦損壞則無法再使用。HY27UF081G2A芯片通信方式010203讀操作步驟擦除操作步驟寫操作步驟NANDFlash的讀寫操作03實驗代碼解析1.ReadWriteNandFlash.h文件在ReadWriteNandFlash.h文件的“API函數(shù)聲明”區(qū)，聲明了2個API函數(shù)。2.ReadwriteNandFlash.c文件在ReadwriteNandFlashc文件的“宏定義”區(qū)，定義了顯示字符最大長度的MAX

STRINGLEN的值為64，即LCD顯示字符串的最大長度為64位。ReadwriteNandFlash文件對下面按照順序解釋說明ReadProc函數(shù)中的語句。(1)第7行代碼:校驗地址參數(shù)是否在Flash的地址范圍內(nèi)。(2)第15至33行代碼:若地址滿足范圍，則通過FTLReadSectors函數(shù)從NANDFlash中讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏和串口助手上。(3)第35至40行代碼:若地址不滿足范圍，則顯示無效地址信息。ReadwriteNandFlash文件對下面按照順序解釋說明InitReadwriteNandFlash函數(shù)中的語句。(1)第4至13行代碼將外部Flash模塊讀寫的首地址、結(jié)束地址和讀/寫函數(shù)賦給GUI結(jié)構(gòu)體sstructGUIDev中對應(yīng)的成員變量。(2)第16行代碼:通過IitGUI函數(shù)初始化GUI界面及相應(yīng)的界面參數(shù)。(3)第19至22行代碼:將NANDFlash模塊的讀寫地址范圍顯示在LCD顯示屏和計算機上。ReadwriteNandFlash文件對0102NandFlash.h文件：在NandFlash.h文件的“宏定義”區(qū)，進行了大量與NANDFlash模塊操作相關(guān)的宏定義。NandFlash.c文件：在NandFlash.c文件的“內(nèi)部函數(shù)實現(xiàn)”區(qū)，首先實現(xiàn)了NandDelay函數(shù)。NandFlash文件對下面按照順序解釋說明InitNandFlash函數(shù)中的語句。(1)第8至13行代碼:使能相應(yīng)的時鐘并初始化EXMC相關(guān)的GPIO。(2)第16至17行代碼:配置EXMC的各個參數(shù)。(3)第19至29行代碼:復(fù)位NANDFash，等待復(fù)位完成后讀取ID，并檢查它是否為設(shè)定的NANDFlash:是則返回成功標(biāo)志，否則顯示相應(yīng)的信息并進入“死循環(huán)”。NandFlash文件對下面按照代碼排列順序解釋說明NandReadPage函數(shù)中的語句。(1)第6至11行代碼:檢查地址與數(shù)據(jù)并設(shè)置讀取地址。(2)第16至35行代碼通過for語讀取外部Flash的數(shù)據(jù)每傳輸512字節(jié)計算一次ECC值。(3)第37至52行代碼:計算空閑區(qū)域地址并讀取相應(yīng)的ECC值用于校驗。(4)第55至67行代碼:校驗ECC值，若出現(xiàn)錯數(shù)據(jù)則嘗試修復(fù)，最后返回相應(yīng)的返回值。NandFlash文件對下面按照代碼排列的順序解釋說明NandEraseBlock函數(shù)中的語句。(1)第6行代碼:檢查待擦除的塊是否為好塊。(2)第9至40行代碼:若為好塊，則將塊地址轉(zhuǎn)換為頁地址，然后向NANDFIash發(fā)送擦除指令及頁地址，等待擦除完成后校驗是否成功。(3)第43至51行代碼:若無法校驗塊或校驗的塊為壞塊，則將NANDFAIL作為返回值返回。NandFlash文件對在FTL.h文件的“宏定義”區(qū)，定義了無效地址和扇區(qū)大小。1.FTL.h文件在FTL.c文件的“枚舉結(jié)構(gòu)體”區(qū)，聲明了FTL控制結(jié)構(gòu)體。結(jié)構(gòu)體內(nèi)包含了FTL算法需要用到的各個參數(shù)。2.FTL.c文件FTL文件對下面按照順序解釋說明InitFTL函數(shù)中的語句。(1)第4至17行代碼:初始化FTL設(shè)備結(jié)構(gòu)體。(2)第20至23行代碼:通過InitNandFlash函數(shù)初始化NANDFlash。(3)第26至35行代碼通過CreateLUT函數(shù)生成LUT根據(jù)生成結(jié)果顯示相應(yīng)的信息并返回相應(yīng)的返回值。FTL文件對下面按照代碼排列順序解釋說明CreateLUT函數(shù)中的語句。(1)第7至13行代碼:清空LUT表，將表中的好塊和有效塊的數(shù)量置0。(2)第15至45行代碼:讀取NANDElash中的LUT表，校驗空閑區(qū)域，如果該塊是好塊，則轉(zhuǎn)換得到邏輯塊的編號，并且好塊數(shù)量加1，如果該塊不是好塊，則輸出壞塊的索引“badblockindex”。(3)第47至63行代碼:LUT表建立完成以后檢查有效塊個數(shù)如果有效塊數(shù)小于100則需要重新格式化。FTL文件對下面按照順序解釋說明FTLReadSectors函數(shù)中的語句。(1)第9至13行代碼:查扇區(qū)大小，如果扇區(qū)大小不正確則返回1。(2)第15至49行代碼:在循環(huán)中以此讀取所需扇區(qū)。(3)第17至20行代碼:計算得到邏輯地址的位置Block、Page及Column。(4)第22至23行代碼:調(diào)用函數(shù)FTLLogicNumToPhysicalNum，將邏輯塊編號轉(zhuǎn)物理塊編號。(5)第24至28行代碼:查扇區(qū)地址，如果超出了最大物理內(nèi)存地址范圍，則讀取失敗返回1。(6)第30至48行代碼:調(diào)用NandReadPage函數(shù)讀取數(shù)據(jù)。如果讀取失敗，再次嘗試讀取，兩次嘗試都不成功，則讀取失敗，返回1。如果讀取成功，則更新讀取扇區(qū)號和緩沖區(qū)指針。FTL文件對Main.c文件在Proc2msTask函數(shù)中調(diào)用ReadWriteNandFlashTask函數(shù)，如程序清單5-24所示。實驗結(jié)果下載程序并進行復(fù)位，可以看到開發(fā)