1. NOR FLASH 的簡單介紹
NOR FLASH 是很常見的一種存儲芯片,數據掉電不會丟失.NOR FLASH支持Execute On Chip,即程序可以直接在FLASH片內執行(這意味著存儲在NOR FLASH上的程序不需要復制到RAM就可以直接運行)。這點和NAND FLASH不一樣。因此,在嵌入式系統中,NOR FLASH很適合作為啟動程序的存儲介質.NOR FLASH的讀取和RAM很類似(只要能夠提供數據的地址,數據總線就能夠正確的給出數據),但不可以直接進行寫操作。對NOR FLASH的寫操作需要遵循特定的命令序列,最終由芯片內部的控制單元完成寫操作。
從支持的最小訪問單元來看,NOR FLASH一般分為 8 位的和16位的(當然,也有很多NOR FLASH芯片同時支持8位模式和是16 位模式,具體的工作模式通過特定的管腳進行選擇)。
對8位的 NOR FLASH芯片,或是工作在8-BIT模式的芯片來說,一個地址對應一個BYTE(8-BIT)的數據。例如一塊8-BIT的NOR FLASH,假設容量為4個BYTE.那芯片應該有8個數據信號D7-D0 和2個地址信號,A1-A0.地址0x0對應第0個 BYTE,地址0x1對應于1BYTE,地址0x2對應于第2個BYTE,而地址0x3則對應于第3 個BYTE.對16位的 NOR FLASH芯片,或是工作在16-BIT模式的芯片來說,一個地址對應于一個HALF-WORD(16-BIT)的數據。例如,一塊16-BIT的 NOR FLASH,假設其容量為4個BYTE.那芯片應該有16 個數據信號線D15-D0 和1個地址信號A0.地址 0x0對應于芯片內部的第0個HALF-WORD,地址0x1對應于芯片內部的第1個 HALF-WORD
FLASH一般都分為很多個SECTOR,每個SECTOR包括一定數量的存儲單元。對有些大容量的FLASH,還分為不同的BANK,每個BANK包括一定數目的SECTOR.FLASH的擦除操作一般都是以SECTOR,BANK或是整片FLASH為單位的。
在對FLASH進行寫操作的時候,每個BIT可以通過編程由1變為0,但不可以有0修改為1.為了保證寫操作的正確性,在執行寫操作前,都要執行擦除操作。擦除操作會把FLASH的一個SECTOR,一個BANK或是整片FLASH的值全修改為0xFF.這樣,寫操作就可以正確完成了。
由于NOR FLASH沒有本地壞區管理,所以一旦存儲區塊發生毀損,軟件或驅動程序必須接手這個問題,否則可能會導致設備發生異常。 在解鎖、抹除或寫入NOR FLASH區塊時,特殊的指令會先寫入已繪測的記憶區的第一頁(Page)。接著快閃記憶芯片會提供可用的指令清單給實體驅動程序,而這些指令是由一般性閃存接口(CommON FLASH memory Interface, CFI)所界定的。 與用于隨機存取的ROM不同,NOR FLASH也可以用在存儲設備上;不過與NAND FLASH相比,NOR FLASH的寫入速度一般來說會慢很多。
2. NOR Flash的燒寫方式
以下內容,如無特別說明,處理器指的是 ARM 處理器,FLASH 指的都是 NOR FLASH.另外,BYTE指的是8-BIT的數據單元,HALF-WORD代表的是16-BIT的數據單元,而WORD 則代表了32-BIT的數據單元。
2.1 處理器尋址
ARM 可以說是目前最流行的32位嵌進式處理器。在這里只提一下ARM處理器的尋址,為后面做個展墊。從處理器的角度來看,系統中每個地址對應的是一個BYTE的數據單元。這和很多別的處理器都是一樣的。
2.2 處理器和NOR FLASH的硬件連接
從前面的先容,我們知道從處理器的角度來看,每個地址對應的是一個 BYTE 的數據單元。而,NOR FLASH 的每個地址有可能對應的是一個BYTE的數據單元,也有可能對應的是一個HALF-WORD的數據單元。所以在硬件設計中,連接ARM處理器和 NOR FLASH時,必須根據實際情況對地址信號做特別的處理。
假如ARM處理器外部擴展的是8-BIT的NOR FLASH, 數據線和地址線的連接應該如圖1所示。 從圖中我們可以看到,處理器的數據信號D0-D7和 FLASH的數據信號D0-D7是逐一對應連接的,處理器的地址信號A0-An和NOR FLASH的地址信號A0-An 也是逐一對應連接的。
假如ARM處理器外部擴展的是16-BIT的NOR FLASH, 地址線必須要錯位連接。 圖2給了一個ARM處理器和16-BIT NOR FLASH的連接示意圖。如圖2所示,ARM處理器的數據信號D0-D15和FLASH 的數據信號D0-D15是逐一對應的。而ARM處理器的地址信號和NOR FLASH 的地址信號是錯位連接的,ARM的A0懸空,ARM 的A1 連接FLASH 的A0,ARM 的A2連接FLASH的A1,依次類推。需要錯位連接的原因是:ARM處理器的每個地址對應的是一個BYTE 的數據單元,而 16-BIT 的 FLASH 的每個地址對應的是一個HALF-WORD(16-BIT)的數據單元。為了保持匹配,所以必須錯位連接。這樣,從ARM處理器發送出來的地址信號的最低位A0對16-BIT FLASH來說就被屏蔽掉了。
補充說明:
一般來說,ARM處理器內部要設置相應的寄存器,告訴處理器外部擴展的FLASH的位寬(8-BIT/16-BIT/32-BIT) 。這樣,處理器才知道在訪問的時候如何從FLASH正確的讀取數據;
有些ARM處理器內部可以設置地址的錯位。對于支持軟件選擇地址錯位的處理器,在連接16-BIT FLASH的時候,硬件上可以不需要把地址線錯位。讀者設計的時候,請參考MCU的數據手冊,以手冊為準,以免造成不必要的麻煩;
假如處理器支持內部設置地址錯位,在實際訪問的時候,送出的地址實際上是在MCU內部做了錯位處理,其作用是等效于硬件連接上的錯位的。
上面的描述可能比較抽象,下面讓我們來看2個ARM處理器訪問16-BIT FLASH的例子:
例子 1:ARM處理器需要從地址0x0讀取一個BYTE
ARM處理器在地址線An-A0上送出信號0x0;
16-BIT FLASH在自己的地址信號An-A0上看到的地址是0x0,然后將地址0x0對應的16-BIT數據單元輸出到D15-D0上;
ARM處理器知道訪問的是16-BIT的FLASH,從D7-D0上讀取所需要的一個BYTE的數據。
例子 2:ARM處理器需要從地址0x1讀取一個BYTE
ARM處理器在地址線An-A0上送出信號0x1;
16-BIT FLASH在自己的地址信號An-A0上看到的地址依然是0x0, 然后將地址0x0對應的16-BIT數據單元輸出到D15-D0上;
ARM處理器知道訪問的是16-BIT的FLASH,從D15-D8 上讀取所需要的一個BYTE 的數據。
2.3 從軟件角度來看 ARM 處理器和 NOR FLASH 的連接
從軟件的角度來理解ARM處理器和 FLASH的連接。對于8-BIT的FLASH的連接,很好理解,由于ARM處理器和8-BIT FLASH的每個地址對應的都是一個 BYTE 的數據單元。所以地址連接毫無疑問是逐一對應的。假如 ARM 處理器連接的是 16-BIT 的處理器,由于 ARM 處理器的每個地址對應的是一個 BYTE 的數據單元,而 16-BIT FLASH 的每個地址對應的是一個 HALF-WORD 的16-BIT的數據單元。所以,也毫無疑問,ARM處理器訪問16-BIT處理器的時候,地址肯定是要錯開一位的。在寫FLASH驅動的時候,我們不需要知道地址錯位是由硬件實現的,還是是通過設置ARM處理器內部的寄存器來實現的,只需要記住2點:
ARM處理器訪問8-BIT FLASH的時候,地址是逐一對應的;
ARM處理器訪問16-BIT FLASH的時候,地址肯定是錯位的。
2.4 8-BIT FLASH 燒寫驅動實例 - HY29F040
HY29F040是現代公司的一款8-BIT的NOR FLASH.在這個小節里,我們以這個芯片為例子,講述如何對8-BIT NOR FLASH進行操作。
HY29F040的容量為512K-BYTE,總共包括8 個SECTOR,每個SECTOR 的容量是64K-BYTE.該芯片支持SECTOR擦除,整片擦除和以BYTE 為基本單位的寫操縱.HY29F040的命令定義如表-1所示。
下面,我們來看看如何實現基本的擦除和編程操作。在本節后面的描述中,我們使用了下面的2 個定義:
U32 sysbase; //該變量用來表示 FLASH 的起始地址
#define SysAddr8(sysbase, offset) ((volatile U8*)(sysbase)+(offset)) //用來方便對指定的 FALSH 地址進行操作
宏SysAddr8定義了一個 BYTE(8-BIT)指針,其地址為(sysbase + offset)。假設FLASH的起始地址為0x10000000,假如要將0xAB寫到FLASH的第一個BYTE中往,可以用下面的代碼:
*SysAddr8(0x10000000, 0x1) = 0xAB;
注意:
在本節后面的描述中,sysbase代表的是FLASH的起始地址,而SysAddr8中的offset則代表了相對于FLASH起始地址的BYTE偏移量.offset也是8-BIT FLASH在自己的地址信號An-A0上看到的地址。
a. 整片擦除操作
整片擦除操縱共需要6個周期的總線寫操作:
將 0xAA寫到 FLASH 地址 0x5555;
將 0x55 寫到 FLASH 地址 0x2AAA;
將 0x80 寫到 FLASH 地址 0x5555;
將 0xAA寫到 FLASH 地址 0x5555;
將 0x55 寫到 FLASH 地址 0x2AAA;
將 0x10 寫到 FLASH 地址 0x5555.
對應的代碼:
*SysAddr8(sysbase, 0x5555) = 0xAA; //將值 0xAA寫到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr8(sysbase, 0x2AAA) = 0x55; //將值 0x55 寫到 FLASH 地址 0x2AAA
*SysAddr8(sysbase, 0x5555) = 0x80; //將值 0x80 寫到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr8(sysbase, 0x5555) = 0xAA; //將值 0xAA寫到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr8(sysbase, 0x2AAA) = 0x55; //將值 0x55 寫到 FLASH 地址 0x2AAA
*SysAddr8(sysbase, 0x5555) = 0x10; //將值 0x10 寫到 FLASH 地址 0x5555
b. SECTOR擦除操作
SECTOR的擦除操縱共需要6個周期的總線寫操作:
將 0xAA寫到 FLASH 地址 0x5555;
將 0x55 寫到 FLASH 地址 0x2AAA;
將 0x80 寫到 FLASH 地址 0x5555;
將 0xAA寫到 FLASH 地址 0x5555;
將 0x55 寫到 FLASH 地址 0x2AAA;
將 0x30 寫到要擦除的 SECTOR 對應的地址。
對應的代碼:
*SysAddr8(sysbase, 0x5555) = 0xAA; //將值 0xAA寫到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr8(sysbase, 0x2AAA) = 0x55; //將值 0x55 寫到 FLASH 地址 0x2AAA
*SysAddr8(sysbase, 0x5555) = 0x80; //將值 0x80 寫到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr8(sysbase, 0x5555) = 0xAA; //將值 0xAA寫到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr8(sysbase, 0x2AAA) = 0x55; //將值 0x55 寫到 FLASH 地址 0x2AAA
*SysAddr8(sysbase, addr) = 0x30; //將值 0x30 寫到要擦除的 SECTOR 對應的地址
c. BYTE擦除操作
寫一個BYTE 的數據到FLASH中往,需要 4個周期的總線寫操作:
將 0xAA寫到 FLASH 地址 0x5555;
將 0x55 寫到 FLASH 地址 0x2AAA;
將 0xA0 寫到 FLASH 地址 0x5555;
將編程數據(BYTE)寫到對應的編程地址上。
對應的代碼:
*SysAddr8(sysbase, 0x5555) = 0xAA; //將值 0xAA寫到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr8(sysbase, 0x2AAA) = 0x55; //將值 0x55 寫到 FLASH 地址 0x2AAA
*SysAddr8(sysbase, 0x5555) = 0xA0; //將值 0xA0 寫到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr8(sysbase, addr) = data; //將一個 BYTE的數據寫到期看的地址
2.5 16-BIT FLASH 燒寫驅動實例 - SST39VF160
SST39VF160是SST公司的一款16-BIT的NOR FLASH. 在這個小節里, 我們以SST39VF160為例子, 講述如何對16-BIT NOR FLASH進行操作。對8-BIT FLASH的操作很好理解,但對16-BIT FLASH的操作理解起來要晦澀很多。我盡力描述得清楚些。
SST39VF160的容量為2M-BYTE , 總共包括512個SECTOR, 每個SECTOR 的容量是4K-BYTE. 該芯片支持SECTOR擦除,整片擦除和以 HALF-WORD 為基本單位的寫操縱.SST39VF160 的命令定義如表-2 所示。在表 2 中,由于所有命令都是從FLASH的角度來定義的。 所以, 所有的地址都是HALF-WORD地址, 指的是16-BIT FLASH在自己的地址信號An-A0上看到的地址。
在本節后面的描述中,我們使用了下面的2個定義:
U32 sysbase; //該變量用來表示 FLASH 的起始地址
#define SysAddr16(sysbase, offset) ((volatile U16*)(sysbase)+(offset)) //用來方便對指定的 FALSH 地址進行操作
SysAddr16(sysbase, offset)首先定義了一個16-BIT HALF-WORD的指針,指針的地址為sysbase,然后根據offset做個偏移操縱。 由于HALF-WORD指針的地址是2個BYTE對齊的, 所以每個偏移操縱會使得地址加2. 終極, SysAddr16 (sysbase, offset)相當于定義了一個HALF-WORD的指針,其終極地址為(sysbase + 2offset) 。在使用SysAddr16的時候,將sysbase設置成 FLASH 的起始地址,offset 則可以理解為相對于 FLASH 起始地址的HALF-WORD 偏移量或是偏移地址。假設FLASH 的起始地址為 0x10000000,SysAddr16(0x10000000, 0)指向 16-BIT FLASH 的第 0 個HALF-WORD, SysAddr16(0x10000000, 1指向16-BIT FLASH的第1個HALF-WORD.依次類推。假如要將0xABCD分別寫到FLASH 的第0個和第 1個HALF-WORD 中往,可以用下面的代碼:
*SysAddr16(0x10000000, 0x0) = 0xABCD;
*SysAddr16(0x10000000, 0x1) = 0xABCD;
接下來,我們分別從ARM處理器的角度和FLASH的角度來具體分析一下。
從 ARM 的角度來看:
假設 FLASH 的起始地址為 0x10000000,由于 ARM 處理器知道 FLASH 的地址空間為 0x10000000 ~ (0x10000000 +FLASH容量 – 1),所以在對這個地址空間進行訪問的時候,會設置好FLASH的片選信號,并將低位的地址輸出到 地址信號上。以*SysAddr16(0x10000000, 0x1) = 0xABCD 為例。從ARM 處理器的角度來看,該操縱是把0xABCD寫到地址0x10000002上往。所以ARM處理器終極會在它的地址信號An-A0輸出地址0x2,同時會在D15-D0 上輸出0xABCD.
從 FLASH 的角度來看:
還是以 *SysAddr16(0x10000000, 0x1) = 0xABCD 為例,FLASH看到的地址是多少呢?接著分析.ARM 處理器在執行操縱的時候,會設置好相應的FLASH片選使能信號,并在ARM的地址信號An-A0上輸出 0x2.由于 ARM和 16-BIT FLASH的地址信號的連接是錯開一位的, 所以, FLASH終極在自己的地址An-A0上看到的信號是0x1, 相當于將ARM處理器輸出的地址往右做了一個移位操縱,恰好對應的是FLASH的第1 個HALF-WORD.同時,FLASH會在自己的D15-D0上看到數據0xABCD.
通過上面的分析,我們知道 SysAddr16 中指定的 offset 的值就是 16-BIT FLASH 在自己的地址 An-A0 上看到的值。所以,我們可以很方便的通過 SysAddr16(sysbase, offset) 對 FLASH 進行操縱,其中 sysbase 代表 FLASH 起始地址,offset 則代表了FLASH 的第幾個HALF-WORD(HALF-WORD偏移量或偏移地址)
注意:
在本節后面的描述中,SysAddr16中的 SYSBASE代表的是FLASH的起始地址,而SysAddr16中的 OFFSET則代表了相對于FLASH起始地址的 HALF-WORD 偏移量或偏移地址.OFFSET 的值也是16-BIT FLASH在自己的地址信號An-A0上看到的值;
在SST39VF160的命令定義中,所有的地址都是針對FLASH的HALF-WORD地址,指的是在FLASH自己的地址信號An-A0上看到的地址。
整片擦除操作
整片擦除操縱共需要6個周期的總線寫操作:
將 0x00AA寫到 FLASH HALF-WORD 地址 0x5555;
將 0x0055 寫到 FLASH HALF-WORD地址 0x2AAA;
將 0x0080 寫到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555;
將 0x00AA寫到 FLASH HALF-WORD 地址 0x5555;
將 0x0055 寫到 FLASH HALF-WORD地址 0x2AAA;
將 0x0010 寫到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555.
對應的代碼:
*SysAddr16(sysbase, 0x5555) = 0x00AA; //將值 0x00AA 寫到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555
*SysAddr16(sysbase, 0x2AAA) = 0x0055; //將值 0x0055 寫到 FLASH HALF-WORD地址 0x2AAA
*SysAddr16(sysbase, 0x5555) = 0x0080; //將值 0x0080 寫到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555
*SysAddr16(sysbase, 0x5555) = 0x00AA; //將值 0x00AA 寫到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555
*SysAddr16(sysbase, 0x2AAA) = 0x0055; //將值 0x0055 寫到 FLASH HALF-WORD地址 0x2AAA
*SysAddr16(sysbase, 0x5555) = 0x0010; //將值 0x0010 寫到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555
SECTOR擦除操作
SECTOR的擦除操縱共需要6個周期的總線寫操作:
將 0x00AA寫到 FLASH HALF-WORD 地址 0x5555;
將 0x0055 寫到 FLASH HALF-WORD地址 0x2AAA;
將 0x0080 寫到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555;
將 0x00AA寫到 FLASH HALF-WORD 地址 0x5555;
將 0x0055 寫到 FLASH HALF-WORD地址 0x2AAA;
將 0x0030 寫到要擦除的 SECTOR 對應的 HALF-WORD地址。
對應的代碼:
*SysAddr16(sysbase, 0x5555) = 0x00AA; //將值 0x00AA 寫到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555
*SysAddr16(sysbase, 0x2AAA) = 0x0055; //將值 0x0055 寫到 FLASH HALF-WORD地址 0x2AAA
*SysAddr16(sysbase, 0x5555) = 0x0080; //將值 0x0080 寫到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555
*SysAddr16(sysbase, 0x5555) = 0x00AA; //將值 0x00AA 寫到 FLASH HALF-WORD地址 0x5555
*SysAddr16(sysbase, 0x2AAA) = 0x0055; //將值 0x0055 寫到 FLASH HALF-WORD地址 0x2AAA
*SysAddr16(sysbase, addr 》》 1) = 0x0030; //將值 0x0030 寫到要擦除的 SECTOR 對應的HALF-WORD地址
注意:
上面的代碼中第6個操縱周期中的ADDR 是從ARM處理器的角度來看的BYTE地址,由于在擦除的時候,用戶希看指定的是從 ARM 的角度看到的地址,這樣更方便和更直觀。而在 SysAddr16 的宏定義中,OFFSET 表示的是相對于FLASH起始地址的 HALF-WORD 偏移量,或是FLASH在自己的地址信號An-A0上看到的地址。所以需要執行一個右移操作,把ADDR轉換成 HALF-WORD 地址。
舉例說明,SST39VF160 每個 SECTOR 的大小是 4K-BYTE.從 ARM 處器的角度和用戶的角度來看,SECTOR-0 相對于FLASH起始地址的BYTE地址是0x0;從FLASH來看SECTOR-0 的HALF-WORD地址是0x0.從ARM處理器的角度和用戶的角度來看, FLASH SECTOR-1相對于FLASH起始地址的BYTE地址0x1000; 從FLASH來看, SECTOR-1的HALF-WORD地址應該是(0x1000 》》 1) = 0x800.
假如要擦除SECTOR-0,上面代碼的第6條指令應該是:
*SysAddr16(sysbase, 0x0 》》 1) = 0x0030;
假如要擦除SECTOR-1,上面代碼的第6條指令應該是:
*SysAddr16(sysbase, 0x1000 》》 1) = 0x0030;
HALF-WORD 編程操作
寫一個HALF-WORD的數據到FLASH中往,需要4個周期的總線寫操作:
將 0x00AA寫到 FLASH HALF-WORD 地址 0x5555;
將 0x0055 寫到 FLASH HALF-WORD地址 0x2AAA;
將 0x00A0 寫到 FLASH HALF-WORD 地址 0x5555;
將編程數據(HALF-WORD)寫到對應的 HALF-WORD地址。
對應的代碼:
*SysAddr16(sysbase, 0x5555) = 0x00AA; //將值 0x00AA 寫到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr16(sysbase, 0x2AAA) = 0x0055; //將值 0x0055 寫到 FLASH 地址 0x2AAA
*SysAddr16(sysbase, 0x5555) = 0x00A0; //將值 0x00A0 寫到 FLASH 地址 0x5555
*SysAddr16(sysbase, addr 》》 1) = data; //將數據寫到對應的 HALF-WORD 地址
注意:
上面的代碼中第4個操作周期中的ADDR是從ARM處理器的角度來看的BYTE地址, 由于在執行寫操作的時候,用戶希看指定的是從 ARM 的角度看到的地址,這樣會更方便和更直觀。而在 SysAddr16 的宏定義中,OFFSET表示的是相對于FLASH起始地址的HALF-WORD偏移量。 所以需要執行一個右移操縱, 把它轉換成HALF-WORD地址。
例如要將數據 0x0123 寫到地址 0x0處,對應的是 FLASH 的第 0 個 HAFL-WORD,對應的 HALF-WORD 地址應該是0x0,上面代碼的第4條指令應該是:
*SysAddr16(sysbase, 0x0 》》 1) = 0x0123;
又如要將數據0x4567寫到地址0x2處, 對應的是FLASH的第1個 HALF-WORD, 對應的HALF-WORD地址應該是0x1, 上面代碼的第4條指令應該是:
*SysAddr16(sysbase, 0x2 》》 1) = 0x4567;
再如要將數據0x89AB寫到地址0x4處, 對應的是FLASH的第2個HALF-WORD, 對應的HALF-WORD地址應該是0x2,上面代碼的第4條指令應該是:
*SysAddr16(sysbase, 0x4 》》 1) = 0x89AB;
還如要將數據0xCDEF 寫到地址 0x6處,對應的是 FLASH 的第 3 個 HALF-WORD,對應的 HALF-WORD 地址應該是0x3,上面代碼的第4條指令應該是:
*SysAddr16(sysbase, 0x6 》》 1) = 0xCDEF;
2.6 結束語
以上簡單介紹了NOR FLASH原理,以及如何對NOR FLASH進行操作, 但沒有包括狀態查詢, 保護等其他操縱。 對于更復雜的多片FLASH并聯的情況也沒有討論,如有需要者,可自行分析.
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