NOR Flash擦寫和原理分析（一）

時間 2019-12-18

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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,即程序能夠直接在FLASH片內執行(這意味着存儲在NOR FLASH上的程序不須要複製到RAM就能夠直接運行).這點和NAND FLASH不同.所以,在嵌入式系統中,NOR FLASH很適合做爲啓動程序的存儲介質.NOR FLASH的讀取和RAM很相似(只要可以提供數據的地址,數據總線就可以正確的給出數據),但不能夠直接進行寫操做.對NOR FLASH的寫操做須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做.編程

從支持的最小訪問單元來看,NOR FLASH通常分爲 8 位的和16位的(固然,也有不少NOR FLASH芯片同時支持8位模式和是16 位模式,具體的工做模式經過特定的管腳進行選擇).設計

對8位的 NOR FLASH芯片,或是工做在8-BIT模式的芯片來講,一個地址對應一個BYTE(8-BIT)的數據.例如一塊8-BIT的NOR FLASH,假設容量爲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對應於1BYTE,地址0x2對應於第2個BYTE,而地址0x3則對應於第3 個BYTE.對16位的 NOR FLASH芯片,或是工做在16-BIT模式的芯片來講,一個地址對應於一個HALF-WORD(16-BIT)的數據.例如,一塊16-BIT的 NOR FLASH,假設其容量爲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對應於芯片內部的第0個HALF-WORD,地址0x1對應於芯片內部的第1個 HALF-WORD指針

FLASH通常都分爲不少個SECTOR,每一個SECTOR包括必定數量的存儲單元.對有些大容量的FLASH,還分爲不一樣的BANK,每一個BANK包括必定數目的SECTOR.FLASH的擦除操做通常都是以SECTOR,BANK或是整片FLASH爲單位的.code

在對FLASH進行寫操做的時候,每一個BIT能夠經過編程由1變爲0,但不能夠有0修改成1.爲了保證寫操做的正確性,在執行寫操做前,都要執行擦除操做.擦除操做會把FLASH的一個SECTOR,一個BANK或是整片FLASH的值全修改成0xFF.這樣,寫操做就能夠正確完成了.blog

因爲NOR FLASH沒有本地壞區管理,因此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,不然可能會致使設備發生異常. 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).接着快閃記憶芯片會提供可用的指令清單給實體驅動程序,而這些指令是由通常性閃存接口(CommON FLASH memory Interface, CFI)所界定的. 與用於隨機存取的ROM不一樣,NOR FLASH也能夠用在存儲設備上;不過與NAND FLASH相比,NOR FLASH的寫入速度通常來講會慢不少.接口

2. NOR Flash的燒寫方式

如下內容,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表明的是16-BIT的數據單元,而WORD 則表明了32-BIT的數據單元.ip

2.1 處理器尋址

ARM 能夠說是目前最流行的32位嵌進式處理器.在這裏只提一下ARM處理器的尋址,爲後面作個展墊.從處理器的角度來看,系統中每一個地址對應的是一個BYTE的數據單元.這和不少別的處理器都是同樣的.class

2.2 處理器和NOR FLASH的硬件鏈接

從前面的先容,咱們知道從處理器的角度來看,每一個地址對應的是一個 BYTE 的數據單元.而,NOR FLASH 的每一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.因此在硬件設計中,鏈接ARM處理器和 NOR FLASH時,必須根據實際狀況對地址信號作特別的處理.變量

假如ARM處理器外部擴展的是8-BIT的NOR FLASH, 數據線和地址線的鏈接應該如圖1所示. 從圖中咱們能夠看到,處理器的數據信號D0-D7和 FLASH的數據信號D0-D7是逐一對應鏈接的,處理器的地址信號A0-An和NOR FLASH的地址信號A0-An 也是逐一對應鏈接的.原理

假如ARM處理器外部擴展的是16-BIT的NOR FLASH, 地址線必需要錯位鏈接. 圖2給了一個ARM處理器和16-BIT NOR FLASH的鏈接示意圖.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 的地址信號是錯位鏈接的,ARM的A0懸空,ARM 的A1 鏈接FLASH 的A0,ARM 的A2鏈接FLASH的A1,依次類推.須要錯位鏈接的緣由是:ARM處理器的每一個地址對應的是一個BYTE 的數據單元,而 16-BIT 的 FLASH 的每一個地址對應的是一個HALF-WORD(16-BIT)的數據單元.爲了保持匹配,因此必須錯位鏈接.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來講就被屏蔽掉了.

補充說明:

通常來講,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處理器內部能夠設置地址的錯位.對於支持軟件選擇地址錯位的處理器,在鏈接16-BIT FLASH的時候,硬件上能夠不須要把地址線錯位.讀者設計的時候,請參考MCU的數據手冊,以手冊爲準,以避免形成沒必要要的麻煩;
假如處理器支持內部設置地址錯位,在實際訪問的時候,送出的地址其實是在MCU內部作了錯位處理,其做用是等效於硬件鏈接上的錯位的.

上面的描述可能比較抽象,下面讓咱們來看2個ARM處理器訪問16-BIT FLASH的例子:

例子 1:ARM處理器須要從地址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在本身的地址信號An-A0上看到的地址是0x0,而後將地址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上讀取所須要的一個BYTE的數據.

例子 2:ARM處理器須要從地址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在本身的地址信號An-A0上看到的地址依然是0x0, 而後將地址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 上讀取所須要的一個BYTE 的數據.

2.3 從軟件角度來看 ARM 處理器和 NOR FLASH 的鏈接

從軟件的角度來理解ARM處理器和 FLASH的鏈接.對於8-BIT的FLASH的鏈接,很好理解,因爲ARM處理器和8-BIT FLASH的每一個地址對應的都是一個 BYTE 的數據單元.因此地址鏈接毫無疑問是逐一對應的.假如 ARM 處理器鏈接的是 16-BIT 的處理器,因爲 ARM 處理器的每一個地址對應的是一個 BYTE 的數據單元,而 16-BIT FLASH 的每一個地址對應的是一個 HALF-WORD 的16-BIT的數據單元.因此,也毫無疑問,ARM處理器訪問16-BIT處理器的時候,地址確定是要錯開一位的.在寫FLASH驅動的時候,咱們不須要知道地址錯位是由硬件實現的,仍是是經過設置ARM處理器內部的寄存器來實現的,只須要記住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,地址確定是錯位的.

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.在這個小節裏,咱們以這個芯片爲例子,講述如何對8-BIT NOR FLASH進行操做.

HY29F040的容量爲512K-BYTE,總共包括8 個SECTOR,每一個SECTOR 的容量是64K-BYTE.該芯片支持SECTOR擦除,整片擦除和以BYTE 爲基本單位的寫操縱.HY29F040的命令定義如表-1所示.

下面,咱們來看看如何實現基本的擦除和編程操做.在本節後面的描述中,咱們使用了下面的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 地址進行操做

宏SysAddr8定義了一個 BYTE(8-BIT)指針,其地址爲(sysbase + offset).假設FLASH的起始地址爲0x10000000,假如要將0xAB寫到FLASH的第一個BYTE中往,能夠用下面的代碼:

*SysAddr8(0x10000000, 0x1) = 0xAB;

注意：

在本節後面的描述中,sysbase表明的是FLASH的起始地址,而SysAddr8中的offset則表明了相對於FLASH起始地址的BYTE偏移量.offset也是8-BIT FLASH在本身的地址信號An-A0上看到的地址.

a. 整片擦除操做

整片擦除操縱共須要6個週期的總線寫操做:

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擦除操做

SECTOR的擦除操縱共須要6個週期的總線寫操做:

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擦除操做

寫一個BYTE 的數據到FLASH中往,須要 4個週期的總線寫操做:

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. 在這個小節裏, 咱們以SST39VF160爲例子, 講述如何對16-BIT NOR FLASH進行操做.對8-BIT FLASH的操做很好理解,但對16-BIT FLASH的操做理解起來要晦澀不少.我盡力描述得清楚些.

SST39VF160的容量爲2M-BYTE , 總共包括512個SECTOR, 每一個SECTOR 的容量是4K-BYTE. 該芯片支持SECTOR擦除,整片擦除和以 HALF-WORD 爲基本單位的寫操縱.SST39VF160 的命令定義如表-2 所示.在表 2 中,因爲全部命令都是從FLASH的角度來定義的. 因此, 全部的地址都是HALF-WORD地址, 指的是16-BIT FLASH在本身的地址信號An-A0上看到的地址.

在本節後面的描述中,咱們使用了下面的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 地址進行操做

SysAddr16(sysbase, offset)首先定義了一個16-BIT HALF-WORD的指針,指針的地址爲sysbase,而後根據offset作個偏移操縱. 因爲HALF-WORD指針的地址是2個BYTE對齊的, 因此每一個偏移操縱會使得地址加2. 終極, SysAddr16 (sysbase, offset)至關於定義了一個HALF-WORD的指針,其終極地址爲(sysbase + 2offset) .在使用SysAddr16的時候,將sysbase設置成 FLASH 的起始地址,offset 則能夠理解爲相對於 FLASH 起始地址的HALF-WORD 偏移量或是偏移地址.假設FLASH 的起始地址爲 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,能夠用下面的代碼:

*SysAddr16(0x10000000, 0x0) = 0xABCD;
*SysAddr16(0x10000000, 0x1) = 0xABCD;

接下來,咱們分別從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 的起始地址爲 0x10000000,因爲 ARM 處理器知道 FLASH 的地址空間爲 0x10000000 ~ (0x10000000 +FLASH容量 – 1),因此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,並將低位的地址輸出到地址信號上.以*SysAddr16(0x10000000, 0x1) = 0xABCD 爲例.從ARM 處理器的角度來看,該操縱是把0xABCD寫到地址0x10000002上往.因此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:

　　仍是以 *SysAddr16(0x10000000, 0x1) = 0xABCD 爲例,FLASH看到的地址是多少呢?接着分析.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,並在ARM的地址信號An-A0上輸出 0x2.因爲 ARM和 16-BIT FLASH的地址信號的鏈接是錯開一位的, 因此, FLASH終極在本身的地址An-A0上看到的信號是0x1, 至關於將ARM處理器輸出的地址往右作了一個移位操縱,剛好對應的是FLASH的第1 個HALF-WORD.同時,FLASH會在本身的D15-D0上看到數據0xABCD.

經過上面的分析,咱們知道 SysAddr16 中指定的 offset 的值就是 16-BIT FLASH 在本身的地址 An-A0 上看到的值.因此,咱們能夠很方便的經過 SysAddr16(sysbase, offset) 對 FLASH 進行操縱,其中 sysbase 表明 FLASH 起始地址,offset 則表明了FLASH 的第幾個HALF-WORD(HALF-WORD偏移量或偏移地址)

注意:

在本節後面的描述中,SysAddr16中的 SYSBASE表明的是FLASH的起始地址,而SysAddr16中的 OFFSET則表明了相對於FLASH起始地址的 HALF-WORD 偏移量或偏移地址.OFFSET 的值也是16-BIT FLASH在本身的地址信號An-A0上看到的值;
在SST39VF160的命令定義中,全部的地址都是針對FLASH的HALF-WORD地址,指的是在FLASH本身的地址信號An-A0上看到的地址.

整片擦除操做

整片擦除操縱共須要6個週期的總線寫操做:

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擦除操做

SECTOR的擦除操縱共須要6個週期的總線寫操做:

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個操縱週期中的ADDR 是從ARM處理器的角度來看的BYTE地址,因爲在擦除的時候,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 表示的是相對於FLASH起始地址的 HALF-WORD 偏移量,或是FLASH在本身的地址信號An-A0上看到的地址.因此須要執行一個右移操做,把ADDR轉換成 HALF-WORD 地址.

舉例說明,SST39VF160 每一個 SECTOR 的大小是 4K-BYTE.從 ARM 處器的角度和用戶的角度來看,SECTOR-0 相對於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相對於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 編程操做

寫一個HALF-WORD的數據到FLASH中往,須要4個週期的總線寫操做:

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個操做週期中的ADDR是從ARM處理器的角度來看的BYTE地址, 因爲在執行寫操做的時候,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表示的是相對於FLASH起始地址的HALF-WORD偏移量. 因此須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: