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nand烧写很多知识点的单片机烧写却只有简单几步

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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很多知识点的单片机烧写却只有简单几步

刚开始学习ARM9的裸机编程和Linux系统移植的时候，烧写Nand flash内存的时候对一些指定的地址产生了疑惑。

看过很多教学视频，他们在烧写程序到Nand flash的时候一般会指定一个地址0X3000_0000，而S3C2440的官方手册上指明了0X3000_0000地址对应的片内外设是SDRAM。这不禁让人产生疑问：明明是指定了SDRAM却烧写到了Nand flash，这到底是为什么呢？

要解答这个问题，首先要从Nand flash本身的结构说起。Nand flash的结构和RAM不一样，它的数据线是复用的，内与足够的地址线用来寻址，对于它的数据存取通常是以块为单位。这一点跟Nor flash不一样，Nor flash带有RAM接口，有足够的地址线进行寻址，所以CPU可以访问Nor flash内部的每一个字节，程序可以在nor flash中运行，而Nand flash不行，所以Nand flash中的程序想要运行必须拷贝到内存（一般是SDRAM）当中来。

当我们想烧写程序至Nand flash中时，会借助一个“中转站”，既SDRAM。程序先烧写到SDRAM中（这就是指定0X3000_0000地址的原因），然后在从SDRAM中拷贝到Nand flash中去，而这个拷贝工作由实现烧写到Nor flash中的uboot程序引导完成。

此外

当我们向2440开发板移植Linux系统的时候，要向Nand flash烧写三个文件，分别是：uboot、Linux kernel和文件系统。每一步的烧写也跟前面一样借用SDRAM作为烧写的“中转站”。但是，我们在烧写的时候并没有对每一步的烧写地址做特定的处理，那怎么能够保证写着三个文件的时候后面的不会覆盖前面的呢？个人理解是：还是Nor flash中的uboot程序的功劳，它会引导着三个文件分别拷贝到Nand flash的不同位置中。

那么

说完了Nand flash烧录的问题，自然而然就应该说一下Nand flash中程序运行的问题。前面我们说到，Nand flash中不可以执行程序，而在我们选择从Nand flash启动的时候，S3C2440会自动将Nand flash的前4KB的代码拷贝到内存当中一个Stepping Stone（一般称为垫脚石）的片内内存当中（这一步操作由芯片内部的硬件决定，不用我们操心），PC跳转到0地址去执行这些代码。

但是

这个片内内存只有4KB，当我们在Nand flash中的程序大于4KB的时候怎么办呢？

这时候

就是这最先拷贝过去的4KB代码发挥作用的时候了。这4KB的代码会帮我们初始化SDRAM，然后将Nand flash中剩下的代码一并拷贝到SDRAM中，PC跳转到SDRAM中去执行剩下的程序（所以我们的裸机程序一般不会超过4KB）。

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从Nand特性谈其烧录关键点

为什么烧录Nand Flash经常失败?为什么烧录成功了，一部分Nand芯片贴板之后系统却运行不起来?…，等等，问了那么多为什么，那我反问一个问题：你了解Nand Flash的特性及其烧录关键点吗?

一、Nand flash的特性

1、位翻转

在 NAND 闪存是通过对存储单元(Cell)进行充电来完成数据存储的，存储单元的阈值电压就对应着数据值。当读取的时候，通过将它的阈值电压与参考点对比来获得其数据值。对SLC 而言，就只有两种状态和一个参考点。而对于2-Bits 的MLC 而言，它有4 种状态和三个参考点。TLC就更多状态和参考点。当读出的数据值与编程时数据值对应的阈值电压不相匹配时，表明数据发生了位翻转，就带来了可靠性问题。导致位翻转的最常见原因是“编程干扰”导致的阈值电压漂移。

2、存储结构

Nand 闪存由多个Block组成，每一个Block又由多个Page组成，Page的大小一般为512+16Bytes 、2K+64Bytes以及4096+128Bytes，Page是读取和编程的基本单位，而擦除的基本单位是Block。

NAND Flash的页，包含主区(Main Area)和备用区(Spare Area)两个域，“主区”也常称作数据区，备用区是保留区域，一般用来标记坏块(bad block)和存放ECC的值，当然有些文件系统使用备用区记录擦除次数、文件组织数据等。

图1.1 为页大小为2048+64的闪存存储结构

3、坏块及ECC

位翻转的发生是随机的，且比特误码的数量会随着擦写次数的增加而增加。但是只要比特误码的数量在ECC 能够纠正的范围内，数据的完整性就始终有保障。在有些点，每页的比特误码有可能很接近ECC 所能纠正的极限，NAND 的控制系统必须严防比特误码超过可纠错的范围，否则，就可能造成数据丢失或者系统无法正常工作。因此，这些块必须要标记为坏块。坏块永远不应该再用来存储数据。由于坏块的产生是不可避免的，NAND 制造商在对裸片测试时会选择对某些块进行坏块标记，而不是放弃整个裸片，所以大多数NAND 在出厂时就已经存在标记为坏块的块。如果一个NAND 的块被标记为坏块，那么NAND 的容量就永久性的减小了。

二、Nand系统裸片量产烧录的关键点

由于Nand flash芯片的特性，以其作为存储介质时必须对这些特性进行恰当处理，这样系统才能正常运行。系统设定各分区数据在Nand芯片的存储布局，并且在存储驱动层对Nand进行位纠错、坏块管理等处理，这些信息需要系统/驱动工程师明确。

研发阶段或小批量生产阶段，常采用在板烧录的方式，原理是将boot通过串口下载到内存跑起来，由boot从SD卡或网络将内核镜像、文件系统镜像等数据烧录到Nand flash芯片。

为了提高生产效率或别的方面考虑，会使用烧录器对Nand flash裸片进行量产烧录，由于烧录器厂家并不知道存储驱动层对Nand各种特性的处理方式，所以不加正确配置就进行烧录的话，往往出现以下情况：1. 烧录失败，经常是校验通不过;2. 烧录通过，但是部分芯片贴板之后系统运行不起来，或者运行起来某些模块出现一些错误与异常。这些大多不是烧录器本身的问题，而是裸片烧录Nand系统时几个重要的关键点没有处理好，或者说没有和目标系统相关处理一致。这些关键点包括：

1) 坏块处理策略

2) 分区(Partition)

3) 纠错码(Error Correction Codes，ECC)

当然，影响烧录的还有其他因素，比如备用区的使用情况、未用好快的格式化以及动态元数据等，但我们这里只讨论上面几个比较普遍的因素。

1、坏块处理策略

坏块一般是根据芯片的坏块标记位置进行识别的，而坏块处理策略定义了在遇到坏块时算法应该如何处理。策略算法负责将本来应该写到坏块的内容写到其它可选的好块中。最常用的坏块处理策略是跳过坏块，其他典型的还有带BBT的跳过坏块及预留块区等。

跳过坏块的处理策略是最基本最常用的坏块替换策略。当烧录中遇到坏块时，算法简单地跳过坏块，而将数据写入下一个好块。它会造成物理数据和逻辑数据的位置偏移，这通常需要分区来解决这个问题。

2、分区(Partition)

采用类跳过坏块的处理策略的Nand系统，常常会把存储区分成若干个不同的物理区域，这就是我们说的分区，概念上很像电脑硬盘的分区。使用分区使得你有能力确保你的数据可以存到预先指定的物理块区内，即便在这之前发现了一些坏块。这对一些底层软件组件比如启动引导程序和某些必须很容易定位的文件系统驱动程序来说，是非常有帮助的。

当使用跳过坏块的替换策略时，坏块会导致数据顺移到下一个好块。如果设置了分区，就可以指导烧录器确定数据的边界，确保数据文件不会侵占邻近的分区。

图2.2.1就是典型的嵌入式Linux系统的分区情况。

图2.2.1 典型的嵌入式Linux系统分区情况

3、纠错码(Error Correction Codes，ECC)

针对不同工艺、容量的NAND存储系统采用适当的ECC算法是应该的，要保证系统的可靠性，甚至是必须的。ECC纠错码一般存放在备用区中，对一整页或将页分成若干节的数据进行计算而得。数据烧录之前需要准备好ECC(硬件ECC除外)，如果是纯数据则需要使用ECC算法来生成。Nand裸片量产中，知道ECC算法的纠错能力(纠错位数)是很重要的，因为要保证生产效率，烧录器如果采用ECC来进行校验数据是不实际的，而通过简单数据比对就可以知道数据的位翻转个数，如果翻转个数范围在ECC算法的纠错范围之内，则认为校验应该是通过的。

三、烧录定制

对于以上关键点或其它特殊部分，如果烧录器软件没有支持的相应的方案，需要联系原厂进行相关算法的定制，比如坏块处理方案、ECC方案等。

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