NOR Flash的原理与操作

时间：2022-07-04 10:41:45

学习目标：

1、了解nor flash存储芯片的概念和特性

2、掌握使用s3c2440芯片对外挂的nor flash进行读写擦除操作

1、NOR Flash的简单介绍

NOR Flash最早是由Intel公司于1988年开发出的，是现在市场上两种主要的非易失性存储器之一，它的出现彻底改变了存储器市场上由EPROM（Erasable Programmable Read-Only-Memory电可编程序只读存储器）和EEPROM（电可擦只读存储器Electrically Erasable Programmable Read - Only Memory）一统天下的局面。NOR Flash最大特点是支持XIP(Execute On Chip），既程序可以直接在NOR flash的片内执行，在NOR Flash中的代码运行时不需要重定位复制到RAM内。NOR Flash的地址线和数据线分开，数据的读取和RAM很类似，只要能够提供数据地址，数据总线就能正确给出数据。不过不能直接对它进行写操作，执行写操作之前需要先发送固定的命令序列，然后发送写操作的地址和数据。

NOR Flash存储器的最小访问单元一般分为8位和16位的，也有一些NOR Flash器件同时支持8位和16位模式，这种Flash的位宽可以在设计硬件时选择，当芯片的BYTE#引脚接为高电平，芯片工作在位宽16位模式，BYTE#引脚设为低电平时，芯片工作在位宽8位模式。

NOR Flash一般有多个扇区，扇区是NOR Flash擦除的最小单位，Nor Flash中每个扇区的大小也不是固定的，扇区的排放一般分为两种模式Top Boot part 和Bottom Boot part 。这两种形式的区别是小块的扇区在NOR Flash芯片中放置的位置不同，Bottom Boot类型的NOR Flash小块地址位于芯片0地址，而Top Boot part类型的NOR Flash小块地址位于芯片的高地址上。

2、NOR Flash引脚介绍（以MX29LV60DBTI芯片为例）

MX29LV60DBTI是16M-BIT的NOR Flash芯片，它的引脚如下图所示：

NOR Flash的原理与操作

引脚描述表

符号 管脚名 功能
A0~A19 地址输入 地址信号，表示要读写数据的地址信息
Q0~Q15 数据输入/输出 数据输入/输出引脚，读周期内输出数据，写周期内输入数据
CE# 芯片使能 CE#为低电平时，芯片被选中，后续执行的操作才会有效
WE# 写使能 配合CE#和OE#以及地址引脚和数据引脚一起使用，当CE#低电平，OE#高电平，WE#为低电平时，Q0~Q15上数据被写入到A0~A19表示地址中
BYTE# 字或字节选择输入 当其为高电平时，数据输出为16bit模式；低电平时，数据输出为8bit模式
RESET# 硬件复位/扇区保护解锁引脚 硬件复位引脚，当输入信号为低电平时，芯片复位
OE# 输出使能 配合CE#和WE#以及地址引脚和数据引脚一起使用，当CE#低电平，WE#高电平，OE#为低电平时，将地址A0~A19内存中的数据传送到Q0~A15上
RY/BY#  RY/BY#输出引脚 用于输出Ready和Busy信号，实际用时可以不接，可以用命令查询NOR Flash状态代替
VCC 电源供应引脚（2.7v~3.6v） 芯片供电电源
GND 地引脚 芯片电源地
WP#/ACC 硬件写保护/加速引脚 硬件写保护引脚，低电平有效
NC 不连接内部引脚 不用连接

3、NOR Flash于S3C2440连接图

NOR Flash的原理与操作

NOR Flash的数据宽度是16位的，与2440处理器的连接时，地址线必须错位进行连接。s3c2440的地址线A0悬空，A1连接NOR Flash的地址线A0，A2连接NOR Flash的地址线A1，依次排序。需要错位连接的原因是：2440处理器的每个地址对应的是一个BYTE 的数据单元，而 16-BIT 的 NOR FLASH 的每个地址对应的是一个HALF-WORD(16-BIT)的数据单元。为了保持匹配，所以必须错位连接。这样，从2440处理器发送出来的地址信号的最低位A0对16-BIT FLASH来说就被屏蔽掉了。

上面的描述过程太过抽象了，下面通过画图来解释错位连接的原因：

NOR Flash的原理与操作

①、ARM处理器需要从地址0x0读取一个BYTE

  1. ARM处理器在地址线An-A0上送出信号0x0；
  2. 由于2440的A1连接NOR Flash A0，16-BIT FLASH在自己的地址信号An-A0上看到的地址是0x0，然后将地址0x0对应的16-BIT数据单元输出到D15-D0上；
  3. ARM处理器知道访问的是16-BIT的FLASH，从D7-D0上读取所需要的一个BYTE的数据。

②、ARM处理器需要从地址0x1读取一个BYTE

  1. ARM处理器在地址线An-A0上送出信号0x1；
  2. 由于2440的A1连接NOR Flash A0，16-BIT FLASH在自己的地址信号An-A0上看到的地址依然是0x0， 然后将地址0x0对应的16-BIT数据单元输出到D15-D0上；
  3. ARM处理器知道访问的是16-BIT的FLASH，从D15-D8 上读取所需要的一个BYTE 的数据。

注意：有些ARM处理器内部可以设置地址的错位。对于支持软件选择地址错位的处理器，在连接16-BIT FLASH的时候，硬件上不需要把地址线错位。在设计的时候,应该参考芯片的数据手册，以手册为准，以免造成不必要的麻烦（如stm32连接是A0~A0）。

4、S3C2440驱动NOR Flash时序配置

NOR Flash的原理与操作

s2c2440内存控制器接读NOR Flash时序图

上图为s3c2440操作NOR Flash的读时序，Tacs表示片选使能前地址信号的设置时间（既地址信号需要设置多久，才能使能片选信号），Tcos表示OE#信号使能前片选使能的设置时间，Tacc表示数据的访问周期，Tcoh表示OE#信号释放后片选信号的保持时间，Tcah表示片选信号释放后地址信号的保持时间。由于s3c2440为通用性能的处理器，他的外部可能接不同公司生成的不同型号的NOR Flash，所以这些参数值要根据所接型号的NOR Flash的时序图进行设置。

下面根据NOR Flash芯片MX29LV60DBTI时序图来配置上述参数，MX29LV60DBTI的时序图如下图所示：

NOR Flash的原理与操作

NOR Flash芯片MX29LV60DBTI读操作内部时序图

NOR Flash的原理与操作

NOR Flash芯片MX29LV60DBTI时序图各参数具体值

Tce：片选信号使能后多久输出数据有效，最大值为70ns

Toe：读信号发出后多久输出数据有效，最大值为30ns

Taa：地址信号发出后数据有效，最大值为70ns

Trc：读周期时间，最小70ns

Tdf：OE#或CE#高时，数据引脚浮空时间，最大30ns（可以忽略设置，当读取数据结束后，新的读取信号发出，要过70ns，数据线上数据有效，这段引脚浮空时间无影响）

上述最大值表示发出该信号后，间隔最大值的时间后，数据引脚的信号一定是有效的，在这个范围之内，数据信号的引脚可能有效。

为简单，我们一般设置2440的CE#、OE#、ADD控制信号同时发出，保持70ns后进行读取数据引脚的数据。NOR Flash连接s3c2440的Bank0地址，配置时序的寄存器为BANKCON0，该寄存器的各个位如下图所示：

NOR Flash的原理与操作

内存控制器的时钟信号由HCLK时钟信号提供，假设设置的HCLK的值为100M，1clock = 10ns。根据前面分析，Tacs、Tcos寄存器位设置为0，Tacc寄存器的为设置为101 = 8clocks。

5、NOR Flash的读操作

NOR Flash是类似于内存类的接口，读操作和内存的读取一样，直接发送相应的地址便能获取相应数据

unsigned int nor_read_word(unsigned int base, unsigned int offset)

{

    volatile unsigned short *p = (volatile unsigned short *)(base + offset);

    return *p;

}

unsigned int nor_dat(unsigned int offset)

{

    return nor_read_word(NOR_FLASH_BASE, offset);

}

6、NOR Flash的扇区擦除

擦除NOR Flash扇区时，应先发送相应的命令，发送命令的顺序如下：

第1个总线周期：往555地址中写入AA

第2个总线周期：往2AA地址中写入55

第3个总线周期：往555地址中写入80

第4个总线周期：往555地址中写入AA

第5个总线周期：往2AA地址中写入55

第6个总线周期：往要擦除的扇区写入30

void nor_write_word(unsigned int base, unsigned int offset, unsigned int val)

{

    volatile unsigned short *p = (volatile unsigned short *)(base + offset);

    *p = val;

}

/* offset是基于cpu的角度看到 */

void nor_cmd(unsigned int offset, unsigned int cmd)

{

    nor_write_word(NOR_FLASH_BASE, offset, cmd);

}

/* 等待烧写完成 : 读数据, Q6无变化时表示结束 */
void wait_ready(unsigned int addr)
{
    unsigned int val;
    unsigned int pre;

    pre = nor_dat(addr);
    val = nor_dat(addr);
    while ((val & (1<<6)) != (pre & (1<<6)))
    {
        pre = val;
        val = nor_dat(addr);        
    }
}
void erase_nor_flash_sector(unsigned int addr)

{

    printf("erasing ...\n\r");

    nor_cmd(0x555<<1, 0xaa);    /* 解锁 */

    nor_cmd(0x2aa<<1, 0x55);

    nor_cmd(0x555<<1, 0x80);     /* erase sector */

    nor_cmd(0x555<<1, 0xaa);    /* 解锁 */

    nor_cmd(0x2aa<<1, 0x55);

    nor_cmd(addr, 0x30);     /* 发出扇区地址 */

    wait_ready(addr);　　/* 等待操作完成 */

}

CPU外接NOR Flash，实际上就是将NOR Flash地址映射为CPU的统一编址。由于nor_cmd函数的offset是基于CPU的角度看到地址，而芯片手册上NOR Flash写入命令的地址从NOR Flash的实际物理地址，NOR Flash是16位的，它的0地址应该对应CPU的0地址和1地址。因此，NOR Flash的物理地址从CPU的角度来看，地址值应该是NOR Flash角度来看的两倍，所以在向某地址写入命令时，要将NOR Flash角度来看的地址右移一位。

7、NOR Flash的写操作

向NOR Flash地址中写入数据时，也应先发送相应的命令，发送命令的顺序如下：

第1个总线周期：往555地址中写入AA

第2个总线周期：往2AA地址中写入55

第3个总线周期：往555地址中写入A0

第4个总线周期：往要目标地址写入数据

void write_nor_flash(unsigned int addr,unsigned int val)

{

    /* 烧写 */

    nor_cmd(0x555<<1, 0xaa);     /* 解锁 */

    nor_cmd(0x2aa<<1, 0x55);

    nor_cmd(0x555<<1, 0xa0);     /* program */

    nor_cmd(addr, val);

    /* 等待烧写完成 : 读数据, Q6无变化时表示结束 */

    wait_ready(addr);
}

写操作时值得注意的是，只有写入的目标的地址内容为0xff时，数据才能正确的写入，因此，一般情况下NOR Flash在写入时要对扇区进行擦除操作。NOR Flash在写入数据时只能将地址中的某位由1变0，而不能将某位由0变1。

假设NOR Flash某地址中存放字符a（0x61），如果未进行擦除前向该地址中写入字符G（0x47），最后该地址内容为A（0x41）。原因如下：

　　字符a化为二进制--->1100001

　　字符G化为二进制--->1000111

由于写入时数据位只能由0变为1，最终结果100001，相当于执行原始数据和新写入数据进行&操作

向NOR Flash执行上述步骤，验证上述过程

①、向0x80000地址写入a字符

NOR Flash的原理与操作

②、未进行擦除扇区向0x80000地址写入G字符，接着读取这个地址里的数据，实际读取内容为0x41，不是0x47，结果符合上面描述。

NOR Flash的原理与操作

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