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[研电赛技术支持] 【GD32F303红枫派使用手册】第二十讲 SPI-SPI NAND FLASH读写实验

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 楼主| 聚沃科技 发表于 2024-6-20 09:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
spi, flash, NAND, GD32F303, FLASH读写
本帖最后由 聚沃科技 于 2024-6-20 09:40 编辑

红枫派首图.png
20.1 实验内容
通过本实验主要学习以下内容：
• SPI通信协议，参考19.2.1东方红开发板使用手册
• GD32F303 SPI操作方式，参考19.2.2东方红开发板使用手册
• NAND FLASH基本原理
• SPI NAND介绍
• 使用GD32F303 SPI接口实现对GD5F1GQ5UEYIGY的读写操作
20.2 实验原理
20.2.1 NAND FLASH基本原理
NAND Flash和NOR Flash都是两种非易失性存储器，其读写速度、读写方式，存储区结构、成本、容量、擦写寿命都有很大区别。NAND在寿命、速度、读写方式上都不如NOR，但在成本和容量上有很大区别，故而决定了大容量数据存储是NAND的主要应用领域，而快速启动、快速数据读取等场景是NOR的主要应用领域。而SPI是目前NAND和NOR的主要通信接口形式，降低了器件体积，标准化了器件接口。
• NAND Flash结构示例
图片1.png
如上图所示，以GD5F1GQ5UEYIGY为例，一个1Gb的存储结构下是由1024个block组成，每个block又64page组成，每个page是2K Main Area+Spare Area(ECC ON:64B;ECC OFF:128B)组成。
NAND的擦除单位是blocks，写入单位是page，所以寻址的方式上和nor是有本质区别的，需要按blocks、page、page字节偏移地址进行一个数据的寻址。
20.2.2 SPI NAND介绍
SPI NAND简化了NAND的接口设计和尺寸，SPI接口更是降低了主控对接口的要求，同时内置ECC。下图是GD5F1GQ5UEYIGY的命令表，常用的命令为擦除、编程、读取命令。
20.4.3 main函数实现
main函数中实现了擦除一个block，并对该block中的page进行写入操作，然后读取后进行数据对比校验的功能。 图片2.png
• block擦除命令
图片3.png
• 编程
￮ 编程流程
i. 先用数据缓存写入指令将数据写入缓冲区
ii. 然后发送写使能命令，并确认写使能成功
iii. 然后发送数据载入命令执行缓冲区数据到FLASH的写
iv. 最后查询读寄存器确认P_FAIL是否有错，OIP是否完成
注意(84h/C4h/34h) 和(FFh) 指令是不会清除缓存中的内容的，所以下次编程时要注意是否缓存区都是需要更新的数据，所以必须是一次更新整个缓冲区，不要部分更新。
编程page地址按照块的顺序
￮ 数据缓存写入命令
图片4.png
￮ 数据载入命令
图片5.png
• 读取
￮ 读取流程
i. 读需要先通过读cache命令从FLASH中读出数据到缓存中
ii. 然后通过读cache指令从缓冲区中开始读出数据
读到2048+128后绕回从0开始继续。
20.3 硬件设计
红枫派开发板SPI——NAND FLASH的硬件设计如下：
图片6.png
图片7.png
从图中可以看出，本实验使用的是普通单线SPI，GD5F1GQ5UEYIGY的片选由GD32F303ZET6的PG13控制（因PG14不是SPI的NSS管脚，所以本实验用主机NSS软件模式,，通过普通IO控制片选），GD25Q32ESIGR的SO、SI和SCLK分别和GD32F303ZET6的PB4（SPI2_MISO）、PB5（SPI2_MOSI）以及PB3（SPI2_CLK）相连。
20.4 代码解析
20.4.1 SPI初始化和读写BYTE函数实现
SPI初始化配置流程可参考19.4.1东方红开发板使用手册 ；
SPI读写BYTE函数实现可参考19.4.2东方红开发板使用手册 ；
20.4.2 SPI NAND FLASH BSP驱动层实现
操作NAND FLASH的函数都定义在bsp层文件bsp_spi_nand.c中，这个文件中定义的函数都是针对NAND FLASH命令来实现的，我们选取几个函数进行介绍。
• NOR FLASH按block擦除函数bsp_nandflash_block_erase，输入block号即可擦除；该函数流程是：使能NAND FLASH的写功能->向NOR FLASH发送block擦除指令0xD8->发送左移6位的Block NO->查询OIP标志等待完成
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  1. C
    

  2. /*!
    

  3.     \brief      erase the nandflash blcok
    

  4.     \param[in]  block_No:the serial number of erase block
    

  5.     \param[out] none
    

  6.     \retval     SPI_NAND_FAIL: erase the nandflash block fail
    

  7.     \retval     SPI_NAND_SUCCESS: erase the nandflash block success
    

  8. */
    

  9. uint8_t bsp_spi_nandflash_block_erase(uint32_t block_No)
    

  10. {
    

  11.     uint8_t result = SPI_NAND_SUCCESS;
    


  12. 

  13.     block_No<<=6;        //block_No=block_No*64
    

  14.     bsp_spi_nandflash_write_enable();
    

  15.     /* select the flash: chip select low */
    

  16.     bsp_spi_nand_cs_low();
    

  17.     /* send "ERASE BLOCK" command */
    

  18.     driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,SPI_NAND_BLOCK_ERASE);
    

  19.     /* send the address of memory */
    

  20.     driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,(block_No>>16)&0xFF);
    

  21.     driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,(block_No>>8)&0xFF);
    

  22.     driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,block_No&0xFF);
    

  23.     /* deselect the flash: chip select high */
    

  24.     bsp_spi_nand_cs_high();
    

  25.     while(bsp_spi_nandflash_get_status_flag(OIP)==SPI_NAND_BUSY);
    

  26.     /* check program result */        
    


  27. 

  28.     return result;
    

  29. }
• NOR FLASH按page写入函数bsp_nandflash_page_program，输入待写入数据指针、block号、page号；该函数流程是：
￮ 写缓冲区，实现流程：向NOR FLASH发送写缓冲区指令0x02->发送写入的page偏移地址->发送待写入数据
￮ 载入数据到page，实现流程：使能NAND FLASH的写功能->发送载入命令0x10->发送写入的page号
￮ 查询OIP标志等待完成
复制
  1. C
    

  2. /*!
    

  3.     \brief      send the program load command,write data to cache
    

  4.     \param[in]  buffer: the data of array
    

  5.     \param[in]  address_in_page: the address in nandflash page
    

  6.     \param[in]  byte_cnt: the number of data
    

  7.     \param[out] none
    

  8.     \retval     none
    

  9. */
    

  10. void bsp_spi_nandflash_program_load(uint8_t *buffer,uint16_t address_in_page,uint32_t byte_cnt)
    

  11. {
    

  12.     uint32_t i=0;
    


  13. 

  14.     /* select the flash: chip select low */
    

  15.     bsp_spi_nand_cs_low();
    

  16. #ifdef SPI_NANDFLASH
    

  17.     /* send "PAGE READ" command */
    

  18.     driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,SPI_NAND_PAGE_LOAD);
    

  19.     /* send the serial number of page */
    

  20.     driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,(address_in_page>>8)&0xFF);
    

  21.     driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,address_in_page&0xFF);
    

  22. #endif 
    

  23.     
    


  24. 

  25.     /* deselect the flash: chip select high */
    


  26. 

  27.         
    

  28.     for(i=0;i<byte_cnt;i++){
    

  29.         driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,*buffer++);
    

  30.     }
    

  31.     //printf("cache program %x %x\n\r",m32record[0],m32record[1]);
    

  32.         
    

  33.     bsp_spi_nand_cs_high();
    

  34.     qspi_disable(BOARD_SPI.spi_x);
    

  35. }
    


  36. 

  37. /*!
    

  38.     \brief      send the program excute command
    

  39.     \param[in]  page_No: the serial number of nandflash page
    

  40.     \param[out] none
    

  41.     \retval     none
    

  42. */
    

  43. void bsp_spi_nandflash_program_execute(uint32_t page_No)
    

  44. {
    

  45.     /* enable the write access to the flash */
    

  46.     bsp_spi_nandflash_write_enable();
    

  47.     /* select the flash: chip select low */
    

  48.     bsp_spi_nand_cs_low();
    

  49.     /* send "PAGE READ" command */
    

  50.     driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,SPI_NAND_PROGRAM_EXEC);
    

  51.     /* send the serial number of page */
    

  52.     driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,(page_No>>16)&0xFF);
    

  53.     driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,(page_No>>8)&0xFF);
    

  54.     driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,page_No&0xFF);
    

  55.     /* deselect the flash: chip select high */
    

  56.     bsp_spi_nand_cs_high();
    

  57. }
    


  58. 

  59. /*!
    

  60.     \brief      write the data to nandflash
    

  61.     \param[in]  *buffer:the data of array
    

  62.     \param[in]  page_No: the serial number of nandflash page
    

  63.     \param[in]  address_in_page: the address of nandflash page
    

  64.     \param[in]  byte_cnt:the number of data
    

  65.     \param[out] none
    

  66.     \retval     SPI_NAND_FAIL,SPI_NAND_SUCCESS 
    

  67. */
    

  68. uint8_t spi_nandflash_write_data(uint8_t *buffer,uint32_t page_No,uint16_t address_page,uint32_t byte_cnt)
    

  69. {
    


  70. 


  71. 

  72.     /*sned the program load command,write data to cache*/
    

  73.     bsp_spi_nandflash_program_load(buffer, address_page, byte_cnt);
    

  74.     /*sned the program excute command*/
    

  75.     bsp_spi_nandflash_program_execute(page_No);
    

  76.     /* Check program result */
    

  77.     while(bsp_spi_nandflash_get_status_flag(OIP)==SPI_NAND_BUSY);
    


  78. 

  79.     
    

  80. #ifdef WRITE_PAGE_VERIFY_EN
    

  81.      spi_nandflash_read_data (tem_buffer,page_No, address_page, byte_cnt);
    

  82.     if (memcmp(tem_buffer, buffer,  byte_cnt) != 0){
    

  83.         return SUCCESS;
    

  84.     }
    

  85. #endif
    

  86.     return 1;
    


  87. 

  88. }
• NOR FLASH按page读取函数spi_nandflash_read_data，输入读取数据指针、page号、page内地址偏移、读取长度；该函数流程是：
￮ 读page到缓冲区，实现流程：向NOR FLASH发送写缓冲区指令0x13->送要读取的page号
￮ 等待OIP标志（NAND读取page到缓冲区完成）
￮ 从缓冲区读取数据，实现流程：发送读cache命令0x03->发送要读取的page地址偏移->读取所需长度的数据
￮ 查询是否有ecc错误
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  1. C
    

  2. /*!
    

  3.     \brief      send the read page command
    

  4.     \param[in]  page_No: the serial number of nandflash page
    

  5.     \param[out] none
    

  6.     \retval     none
    

  7. */
    

  8. void bsp_spi_nandflash_page_read(uint32_t page_No)
    

  9. {
    

  10.     /* select the flash: chip select low */
    

  11.     bsp_spi_nand_cs_low();
    

  12.     /* send "PAGE READ" command */
    

  13.     driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,SPI_NAND_PAGE_READ);
    

  14.     /* send the serial number of page */
    

  15.     driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,(page_No>>16)&0xFF);
    

  16.     driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,(page_No>>8)&0xFF);
    

  17.     driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,page_No&0xFF);
    

  18.     /* deselect the flash: chip select high */
    

  19.     bsp_spi_nand_cs_high();
    

  20. }
    


  21. 

  22. /*!
    

  23.     \brief      send the read cache command
    

  24.     \param[in]  buffer: a pointer to the array
    

  25.     \param[in]  address_in_page: the address in nandflash page
    

  26.     \param[in]  byte_cnt: the number of data
    

  27.     \param[out] none
    

  28.     \retval     none
    

  29. */
    

  30. void bsp_spi_nandflash_read_cache(uint8_t *buffer,uint16_t address_in_page,uint32_t byte_cnt)
    

  31. {
    

  32.     uint32_t i=0;
    


  33. 

  34.     /* select the flash: chip select low */
    

  35.     bsp_spi_nand_cs_low();
    

  36. #ifdef SPI_NANDFLASH
    

  37.     /* send "PAGE READ" command */
    

  38.     driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,SPI_NAND_READ_CACHE);
    

  39.     //driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,DUMMY_BYTE);//Q4UC ++ Q5 --
    

  40.     /* send the address of page */
    

  41.     driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,(address_in_page>>8)&0xFF);
    

  42.     driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,address_in_page&0xFF);
    

  43.     driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,DUMMY_BYTE);//Q4UC -- Q5 ++
    

  44.     
    

  45. #endif
    


  46. 


  47. 

  48.     
    

  49.     for(i=0;i<byte_cnt;i++){
    

  50.         *buffer++=driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,DUMMY_BYTE);
    

  51.     }
    

  52.     
    

  53.     /* deselect the flash: chip select high */
    

  54.     bsp_spi_nand_cs_high();
    

  55.     qspi_disable(BOARD_SPI.spi_x);
    

  56. }
    


  57. 

  58. /*!
    

  59.     \brief      read the data from nandflash
    

  60.     \param[in]  *buffer:the data of array
    

  61.     \param[in]  page_No: the serial number of nandflash page
    

  62.     \param[in]  address_in_page: the address in nandflash page
    

  63.     \param[in]  byte_cnt:the number of data
    

  64.     \param[out] none
    

  65.     \retval     SPI_NAND_FAIL,SPI_NAND_SUCCESS 
    

  66. */
    

  67. uint8_t spi_nandflash_read_data(uint8_t *buffer,uint32_t page_No,uint32_t address_in_page,uint32_t byte_cnt)
    

  68. {
    

  69.     uint8_t result = SPI_NAND_SUCCESS;
    

  70.     uint8_t status = 0;
    

  71.     uint8_t retrycnt = 0;
    


  72. 

  73.     /* the capacity of page must be equal or greater than the taotal of address_in_page and byte_cnt */
    

  74.     if((address_in_page+byte_cnt)>SPI_NAND_PAGE_TOTAL_SIZE){
    

  75.         return SPI_NAND_FAIL;
    

  76.     }
    

  77. ReadRetry:
    

  78.     /* send the read page command */
    

  79.     bsp_spi_nandflash_page_read(page_No);
    

  80.     /* wait for NANDFLASH is ready */
    

  81.     while(bsp_spi_nandflash_get_status_flag(OIP)==SPI_NAND_BUSY);
    

  82.     /* read data from cache */
    

  83.     bsp_spi_nandflash_read_cache(buffer, address_in_page, byte_cnt);
    

  84.     
    

  85.     bsp_spi_nandflash_get_feature( STATUS, &status );
    

  86.     if(( (status & ECCS0) == 0 )&&( (status & ECCS1) == ECCS1 )){    //UECC
    

  87.         if(retrycnt < 3)
    

  88.         {
    

  89.             retrycnt++;
    


  90. 

  91.             printf("\rReadretry:%x %x\n",retrycnt,page_No); 
    

  92.       
    

  93.             goto ReadRetry;
    

  94.         }
    

  95.         else
    

  96.         {
    

  97.             printf("\rRead Fail %x\n",page_No);
    

  98.         }      
    

  99.     }             
    

  100.     return result;
    

  101. }
20.4.3 main函数实现
main函数中实现了擦除一个block，并对该block中的page进行写入操作，然后读取后进行数据对比校验的功能。
复制
  1. C
    

  2. /*!
    

  3. * 说明     main函数
    

  4. * 输入     无
    

  5. * 输出     无
    

  6. * 返回值   无
    

  7. */
    

  8. int main(void)
    

  9. {
    

  10.    
    

  11.     //延时、共用驱动部分初始化 
    

  12.     driver_init();
    

  13.           
    

  14.     //初始化LED组和默认状态
    

  15.     bsp_led_group_init();
    

  16.     bsp_led_on(&LED0);
    

  17.     bsp_led_off(&LED1);     
    


  18. 

  19.     //初始化UART打印
    

  20.     bsp_uart_init(&BOARD_UART);
    


  21. 

  22.     //初始化SPI    
    

  23.     bsp_spi_init(&BOARD_SPI);
    

  24.     
    

  25.     //初始化SPI NAND         
    

  26.     bsp_spi_nand_init();
    

  27.   
    

  28.     printf("\n\rSPI NAND:GD5F1G configured...\n\r");
    


  29. 

  30.     //读取flash id    
    

  31.         flash_id=bsp_spi_nandflash_read_id();
    

  32.     printf("\n\rThe NAND_ID:0x%X\n\r",flash_id);  
    


  33. 

  34.     //比对flash id是否一致
    

  35.     if(NAND_ID != flash_id)
    

  36.         {
    

  37.         printf("\n\r\n\rWrite to tx_buffer:\n\r\n\r");
    


  38. 

  39.         //准备数据
    

  40.         for(uint16_t i = 0; i < BUFFER_SIZE; i ++){
    

  41.             tx_buffer[i] = i;
    

  42.             printf("0x%02X ",tx_buffer[i]);
    


  43. 

  44.             if(15 == i%16)
    

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

  46.         }
    


  47. 

  48.         printf("\n\r\n\rRead from rx_buffer:\n\r");
    


  49. 

  50.         //擦除要写入的block        
    

  51.         bsp_nandflash_block_erase(0);
    

  52.         //写入数据         
    

  53.         bsp_nandflash_page_program((uint8_t*)tx_buffer,0,0,0);
    


  54. 

  55.         //回读写入数据
    

  56.         bsp_nandflash_page_read(rx_buffer,0,0);        
    


  57. 

  58.         /* printf rx_buffer value */
    

  59.         for(uint16_t i = 0; i <= 255; i ++){
    

  60.             printf("0x%02X ", rx_buffer[i]);
    

  61.             if(15 == i%16)
    

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

  63.         }
    


  64. 

  65.         //比较回读和写入数据        
    

  66.         if(ERROR == memory_compare(tx_buffer,rx_buffer,BUFFER_SIZE)){
    

  67.             printf("Err:Data Read and Write aren't Matching.\n\r");
    

  68.             /* spi flash read id fail */
    

  69.             printf("\n\rSPI nand: Read ID Fail!\n\r");
    

  70.             
    

  71.             //写入错误            
    

  72.             /* turn off all leds */
    

  73.             bsp_led_on(&LED0);
    

  74.             /* turn off all leds */
    

  75.             bsp_led_on(&LED1);           
    

  76.             while(1);
    

  77.         }else{
    

  78.             printf("\n\rSPI-GD5F1G Test Passed!\n\r");
    

  79.         }
    

  80.     }else{ //ID读取错误
    

  81.         /* spi flash read id fail */
    

  82.         printf("\n\rSPI Nand:Read ID Fail!\n\r");
    

  83.         /* turn off all leds */
    

  84.         bsp_led_on(&LED0);
    

  85.         /* turn off all leds */
    

  86.         bsp_led_on(&LED1);           
    

  87.         while(1);
    

  88.     }
    


  89. 

  90.     while(1){
    

  91.         /* turn off all leds */
    

  92.         bsp_led_toggle(&LED0);
    

  93.         /* turn off all leds */
    

  94.         bsp_led_toggle(&LED1);        
    

  95.         delay_ms(200);
    

  96.     }
    

  97. }
20.5 实验结果
nand读取到正确ID后开始擦写读流程，如果ID读取错误或者数据比对不通过点亮LED0，熄灭LED1，如果比对通过则交替闪烁LED0和LED1，通过USB转串口可以看到打印结果。
图片8.png
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