STM32 NAND FLASH知识点

发表于 2024-3-11 13:23

1.NAND FLASH的简介

NAND FLASH 的概念是由东芝公司在 1989 年率先提出，它内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。 NAND FLASH 存储器具有容量较大，改写速度快等优点，适用于大量数据的存储，在业界得到了广泛应用，如： SD 卡、 TF 卡、 U盘等，一般都是采用 NAND FLASH 作为存储的。关于 NAND FLASH 的基础知识，请大家自行百度学习。接下来，我们介绍 NAND FLASH 的一些重要知识。

2.NAND FLASH 信号线

因为 NAND FLASH 地址/数据是共用数据线的，所以必须有 CLE/ALE 信号，告诉 NAND
FLASH，发送的数据是命令还是地址。

3.存储单元

NAND FLASH 存储单元介绍，我们以 MT29F4G08（ x8，8 位数据）为例进行介绍， MT29F4G08 的存储单元组织结构如图所示

由图可知： MT29F4G08 由 2 个 plane 组成，每个 plane 有 2048 个 block，每个 block 由 64
个 page 组成，每个 page 有 2K+64 字节（ 2112 字节）的存储容量。所以， MT29F4G08 的总容
量为： 2204864*（ 2K+64） = 553648128 字节（ 512MB）。其中， plane、 block、 page 等的个数，根据 NAND FLASH 型号的不同，会有所区别。

4.NAND FLASH 的地址

NAND FLASH 的地址分为三类：块地址（ Block Address）、页地址（ Page Address）和列地
址（ Column Address）。以 MT29F4G08 为例，这三个地址，通过 5 个周期发送，如图所示

表中， CA0~CA11 为列地址（ Column Address），用于在一个 Page 内部寻址， MT29F4G08
的一个 Page 大小为 2112 字节，需要 12 个地址线寻址； PA0~PA5 为页地址（ Page Address），用于在一个 Block 内部寻址， MT29F4G08 一个 Block 大小为 64 个 Page，需要 6 个地址线寻址；
BA6~BA17 为块地址（ Block Address），用于块寻址， MT29F4G08 总共有 4096 个 Block，需要
12 根地址线寻址。
整个寻址过程，分 5 次发送（ 5 个周期），首先发送列地址，在发送页地址和块地址。这里提醒一下：块地址和页地址，其实是可以写在一起的，由一个参数传递即可，所以表中的 BA并不是由 BA0 开始的，大家可以理解为这个地址（ PA+BA）为整个 NAND FLASH 的 Page 地址。在完成寻址以后，数据线 I/O0~ I/O7 来传输数据了。

5.NAND FLASH的控制命令

例如:读页命令

READ PAGE
该指令用于读取 NAND 的一个 Page（包括 spare 区数据，但不能跨页读），该指令时序如图所示：

由图可知， READ PAGE 的命令分两次发送，首先发送 00H 命令，然后发送 5 次地址（ Block&Page&Column 地址），指定读取的地址，随后发送 30H 命令，在等待 RDY 后，即可读取 PAGE 里面的数据。注意：不能跨页读，所以最多一次读取一个 PAGE 的数据（包括 spare区）。

6.FMC 接口的 NAND FLASH 控制寄存器

⚫ 独立 NAND FLASH 存储区域，可独立配置
⚫ 支持 8 位和 16 位 NAND FLASH
⚫ 支持硬件 ECC 计算（汉明码）
⚫ 支持 NAND FLASH 预等待功能

NAND FLASH 的控制寄存器： FMC_PCR，该寄存器各位描述如图所示:

该寄存器只有部分位有效，且都需要进行配置：
PWAITEN：该位用于设置等待特性： 0，禁止； 1，使能。这里我们设置为 0，禁止使用控制器自带的等待特性，因为如果使能的话，将导致 RGB 屏抖动（ STM32 硬件 bug）。

PBKEN：该位用于使能存储区域： 0，禁止； 1，使能。我们要正常使用某个存储区域，必须设置该位为 1，所以，这个位要设置为 1。

PWID：这两个位，用于设置数据总线宽度： 00， 8 位宽度； 01， 16 位宽度。我们使用的MT29F4G08 为 8 位宽度，所以这里应该设置为： 00。

ECCEN：该位用于使能 STM32 的硬件 ECC 计算逻辑： 0，禁止/复位 ECC； 1，使能 ECC计算；每次读写数据前，应该设置该位为 1，在数据读写完毕，读取完 ECC 值之后，设置该位为 0，复位 ECC，以便下一次 ECC 计算。

TCLR：这四个位用于设置 CLE 到 RE 的延迟： 0000~1111，表示 1~16 个 fmc_ker_ck 周期。对应 NAND FLASH 数据手册的 tCLR 时间参数： t_clr=(TCLR+SET+2)*Tfmc_ker_ck。 TCLR 就是本寄存器的设置值， SET 对应 MEMSET 的值（我只用到 MEMSET）， Tfmc_ker_ck 对应fmc_ker_ck 的周期。 MT29F4G08 的 tCLR 时间最少为 10ns，以 220M 的 fmc_ker_ck 频率计算，一个 fmc_ker_ck=4.5ns（下同），我们设置 TCLR=5，则 t_clr 至少为 7 个 fmc_ker_ck 即 31.5ns。

TAR：这四个位用于设置 ALE 到 RE 的延迟： 0000~1111，表示 1~16 个 HCLK 周期。对应NAND FLASH 数据手册的 tAR 时间参数，这里设置的 t_ar=(TAR+SET+2)* Tfmc_ker_ck。 TAR就是本寄存器的设置值， SET 对应 MEMSET 的值（我只用到 MEMSET）， Tfmc_ker_ck 对应fmc_ker_ck 的周期。 MT29F4G08 的 tAR 时间最少为 10ns，我们设置 TAR=5，则 t_ar 至少为 7个 fmc_ker_ck 即 31.5ns。

ECCCPS：这三个位用于设置 ECC 的页大小： 000， 256 字节； 001， 512 字节； 010， 1024字节； 011， 2048 字节；100， 4096 字节； 101， 8192 字节。我们需要以 512 字节为单位进行ECC 计算，所以 ECCCPS 设置为： 001 即可。

NAND FLASH 的空间时序寄存器： FMC_PMEM，该寄存器各位描述如图所示:

该寄存器用于控制 NAND FLASH 的访问时序，非常重要。我们先来了解下 NAND FLASH控制器的通用存储器访问波形，如图所示:

由图可知， MEMxSET+MEMxHOLD 控制 NWE/NOE 的高电平时间， MEMxWAIT 控制NWE/NOE 的低电平时间， MEMxHIZ 控制写入时数据线高阻态时间。接下来我们分别介绍这几个参数：

MEMSET：这八个位定义使能命令（ NWE/NOE）前，地址建立所需要的 fmc_ker_ck 时钟周期数，表示 NWE/NOE 的高电平时间， 0000 0000~1111 1110 表示 1~255 个 fmc_ker_ck 周期。MT29F4G08 的 tREH/tWH 最少为 10ns，设置 MEMSET=3，即 4 个 fmc_ker_ck 周期，约 18ns。另外， MEMHOLD，也可以用于控制 NWE/NOE 的高电平时间，在连续访问的时候， MEMHOLD
和 MEMSET 共同构成 NWE/NOE 的高电平脉宽时间。

MEMWAIT：这八个位用于设置使能命令（ NWE/NOE）所需的最小 fmc_ker_ck 时钟周期数（使能 NWAIT 将使这个时间延长），实际上就是 NWE/NOE 的低电平时间， 0000 0000~1111，1110 表示 1~255 个 HCLK 周期。 MT29F4G08 的 tRP/tWP 最少为 10ns，我们设置 MEMWAIT =5，即 6 个 fmc_ker_ck 周期，约 27ns。这里需要设置时间比较长一点，否则可能访问不正常。

MEMHOLD：这八个位用于设置禁止使能命令（ NWE/NOE）后，保持地址（和写访问数据）的 fmc_ker_ck 时钟周期数，也可以用于设置一个读写周期内的 NWE/NOE 高电平时间， 00000000~1111 1110 表示 0~254 个 HCLK 周期。我们设置MEMHOLD=2，表示 2 个 fmc_ker_ck 周期，加上前面的 MEMSET，所以 NEW/NOE 高电平时间为 6 个 HCLK，即 27ns 左右。

MEMHIZ：这八个位定义通用存储空间开始执行写访问之后，数据总线保持高阻态所持续的 fmc_ker_ck 时钟周期数。该参数仅对写入事务有效， 0000~1111 1110 表示 0~254 个 fmc_ker_ck周期。我们设置 MEMHIZ=3，表示 3 个 fmc_ker_ck 周期，即 13.5ns 左右。

7.NAND FLASH和STM32芯片的连接图

8.STM32CubeMx配置Nand Flash

(1).选择FMC项
Data/Address：由于Nand Flash是地址和数据共线，由于MT29F4G08芯片是8根数据线，所以这里设置为8bits。

Ready or busy：等待特性使能/失能，对应FMC_PCR寄存器中的PWAITEN位，用于设置等待特性： 0，禁止； 1，使能。这里我们设置为 0，禁止使用控制器自带的等待特性，因为如果使能的话，将导致 RGB 屏抖动（ STM32 硬件 bug）。

ECC computation：ECC计算逻辑使能/失能，对应FMC_PCR寄存器中的ECCEN位，0：禁止/复位ECC，1：使能ECC计算

ECC page size：ECC页大小，对应FMC_PCR寄存器中的ECCCPS，这三个位用于设置ECC的页大小，256字节，512字节，1024字节，2048字节，4096字节，8192字节。

CLE low to RE low delay in HCLK cycles：CLE到RE的延迟，对应FMC_PCR寄存器中的TCLR,这四个位用于设置 CLE 到 RE 的延迟： 0000~1111，表示 1~16 个 fmc_ker_ck 周期。对应 NAND FLASH 数据手册的 tCLR 时间参数： t_clr=(TCLR+SET+2)*Tfmc_ker_ck。 TCLR 就是本寄存器的设置值， SET 对应 MEMSET 的值（我只用到 MEMSET）， Tfmc_ker_ck 对应fmc_ker_ck 的周期。 MT29F4G08 的 tCLR 时间最少为 10ns，以 220M 的 fmc_ker_ck 频率计算，
一个 fmc_ker_ck=4.5ns（下同），我们设置 TCLR=5，则 t_clr 至少为 7 个 fmc_ker_ck 即 31.5ns。

ALE low to RE low delay in HCLK cycles：ALE到RE的延时，对应FMC_PCR寄存器中的TAR位，这四个位用于设置 ALE 到 RE 的延迟： 0000~1111，表示 1~16 个 HCLK 周期。对应NAND FLASH 数据手册的 tAR 时间参数，这里设置的 t_ar=(TAR+SET+2)* Tfmc_ker_ck。 TAR就是本寄存器的设置值， SET 对应 MEMSET 的值（我只用到 MEMSET）， Tfmc_ker_ck 对应fmc_ker_ck 的周期。 MT29F4G08 的 tAR 时间最少为 10ns，我们设置 TAR=5，则 t_ar 至少为 7个 fmc_ker_ck 即 31.5ns。

NAND common space timing in HCLK cycles为NAND 通用存储器空间时序，NAND attribute space timing in HCLK cycles为NAND 特性存储器空间时序，这两个参数信息设置一致即可。

Common space setup time：地址建立的时间，对应空间时序寄存器，FMC_PMEM中的MEMSET，这八个位定义使能命令（ NWE/NOE）前，地址建立所需要的 fmc_ker_ck 时钟周期数，表示 NWE/NOE 的高电平时间， 0000 0000~1111 1110 表示 1~255 个 fmc_ker_ck 周期。MT29F4G08 的 tREH/tWH 最少为 10ns，设置 MEMSET=3，即 4 个 fmc_ker_ck 周期，约 18ns。另外， MEMHOLD，也可以用于控制 NWE/NOE 的高电平时间，在连续访问的时候， MEMHOLD
和 MEMSET 共同构成 NWE/NOE 的高电平脉宽时间。

Common space wait time：对应空间时序寄存器，FMC_PMEM中的MEMWAIT,这八个位用于设置使能命令（ NWE/NOE）所需的最小 fmc_ker_ck 时钟周期数（使能 NWAIT 将使这个时间延长），实际上就是 NWE/NOE 的低电平时间， 0000 0000~11111110 表示 1~255 个 HCLK 周期。 MT29F4G08 的 tRP/tWP 最少为 10ns，我们设置 MEMWAIT =5，即 6 个 fmc_ker_ck 周期，约 27ns。这里需要设置时间比较长一点，否则可能访问不正常。

Common space hold time：对应空间时序寄存器，FMC_PMEM中的MEMHOLD,这八个位用于设置禁止使能命令（ NWE/NOE）后，保持地址（和写访问数据）的 fmc_ker_ck 时钟周期数，也可以用于设置一个读写周期内的 NWE/NOE 高电平时间， 00000000~1111 1110 表示 0~254 个 HCLK 周期。我们设置 MEMHOLD=2，表示 2 个 fmc_ker_ck 周
期，加上前面的 MEMSET，所以 NEW/NOE 高电平时间为 6 个 HCLK，即 27ns 左右。

Common space Hi-Z time：对应空间时序寄存器，FMC_PMEM中的MEMHIZ，这八个位定义通用存储空间开始执行写访问之后，数据总线保持高阻态所持续的 fmc_ker_ck 时钟周期数。该参数仅对写入事务有效， 0000~1111 1110 表示 0~254 个 fmc_ker_ck周期。我们设置 MEMHIZ=3，表示 3 个 fmc_ker_ck 周期，即 13.5ns 左右。

Page size：Nand Flash芯片每页的字节数。
Spare area size：Nand Flash芯片每页中备份区域的字节数。
Block size：Nand Flash芯片中每块的字节数大小，字节限制为0-4294967295，因为最高支持的容量为4GB。128K+4K=135168。
Block number：Nand Flash芯片中块的数目。
Phane number：Nand Flash芯片中平面的数目。
Phane size：Nand Flash芯片中每个平面的字节数,128K+4K=135168，135168*1024=138412032。

(2).配置GPIO Settings
根据电路原理图，配置相应的管脚

9.MT29F4G08芯片时序时间表

10.MPU和Nand Flash的关系

特别注意，STM32芯片中带有MPU功能的在使用Nand Flash芯片时需要配置对应地址的MPU，否则将会导致读写数据不成功。
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原文链接：https://blog.csdn.net/qizhi321123/article/details/136449764

发表于 2024-3-11 13:31

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