ARM嵌入式体系结构与接口技术第 9 章存储器接口

ARM嵌入式体系结构与接口技术第9章 存储器接口

课程安排： • 第1章嵌入式系统基础知识 • 第2章 ARM技术概述 • 第3章 ARM的指令系统 • 第4章 ARM汇编语言程序设计 • 第5章 ARM Realview MDK集成开发环境 • 第6章 GPIO编程 • 第7章 ARM异常中断处理及编程 • 第8章串行通信接口

课程安排： • 第9章存储器接口 • 第10章定时器 • 第11章 A/D转换器 • 第12章 LCD接口设计 • 第13章温度监测仪开发实例

本章课程： • 9.1 Flash ROM介绍 • 9.2 Nor Flash操作 • 9.3 NAND Flash操作 • 9.4 S3C2410X中Nand Flash控制器的操作 • 9.5 S3C2410X Nand Flash接口电路与程序设计 • 9.6 SDRAM芯片介绍 • 9.7 小结 • 9.8 思考与练习

9.1 Flash ROM介绍 • Falsh器件的主要特点是在不加电的情况下能长期保持存储的信息。Flash Memory属于EEPROM(电擦除可编程只读存储器)类型。它既有ROM的特点，又有很高的存取速度，而且易于擦除和重写，功耗很小。 • Flash主要有两种类型：“或非NOR”和“与非NAND” • Intel于1988年首先开发出NOR Flash技术 • 东芝公司1989年发表了NAND Flash结构 • Nand Flash与Nor Flash对比： • 1、接口对比NOR Flash带有通用的SRAM接口，可以轻松地挂接在CPU的地址、数据总线上，对CPU的接口要求低。NOR Flash的特点是芯片内执行(XIP,eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在Flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NAND Flash器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。

9.1 Flash ROM介绍 • 2、容量和成本对比相比起NAND Flash来说，NOR Flash的容量要小，一般在1~32MByte左右 • 3、可靠性性对比NAND器件中的坏块是随机分布的，而坏块问题在NOR Flash上是不存在的 • 4、寿命对比NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR的擦写次数是十万次 • 5、升级对比NOR Flash的升级较为麻烦，因为不同容量的NOR Flash的地址线需求不一样不同容量的NAND Flash的接口是固定的，所以升级简单 • 6、读写性能对比擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间约为为5s。擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的,执行相同的操作最多只需要4ms。NOR的读速度比NAND稍快一些。

9.2 Nor Flash操作 • 9.2.1 SST39VF160芯片介绍 • SST39VF160是一个1M×16的CMOS多功能Flash器件 • SST39VF160的工作电压为２.7～3.6V，单片存储容量为２M字节，采用48脚TSOP封装，16位数据宽度。 • SST39VF160引脚图

9.2 Nor Flash操作 • SST39VF160的引脚功能描述如下表

9.2 Nor Flash操作 • 9.2.2 SST39VF160字编程操作 • 1、执行3字节装载时序，用于解除软件数据保护 • 2、装载字地址和字数据 • 在字编程操作中，地址在CE#或WE#的下升沿（后产生下降沿的那个）锁存，数据在CE#或WE#的上升沿（先产生上升沿的那个）锁存。 • 3、执行内部编程操作该操作 • 在第4个WE#或CE#的上升沿出现（先产生上升沿的那个）之后启动编程操作。一旦启动将在20ms内完成。

9.2 Nor Flash操作 • 9.2.3 SST39VF160扇区/块擦除操作 • 扇区操作通过在最新一个总线周期内执行一个6字节的命令时序（扇区擦除命令30H和扇区地址SA）来启动。块擦除操作通过在最新一个总线周期内执行一个6字节的命令时序（块擦除命令50H和块地址BA）来启动。

9.2 Nor Flash操作 • 9.2.4 SST39VF160芯片擦除操作 • 芯片擦除操作通过在最新一个总线周期内执行一个6字节的命令5555H地址处的芯片擦除命令10H时序来启动在第6个WE#或CE#的上升沿（先出现上升沿的那个）开始执行擦除操作，擦除过程中只有触发位或数据查询位的读操作有效

9.2 Nor Flash操作 • 9.2.5 SST39VF160与S3C2410X的接口电路 • 一片SST39VF160以16位的方式和S3C2410的接口电路：

9.2 Nor Flash操作 • 9.2.6 SST39VF160存储器的程序设计 • 1、字编程操作 • 从内存“DataPtr”地址的连续“WordCnt”个16位的数据写入SST39VF160的“ProgStart”地址 • 利用了数据查询位（DQ7）和查询位（DQ6）来判断编程操作是否完成 • 函数中用到的几个宏的定义如下： • #define ROM_BASE 0x00000000 • #define CMD_ADDR0 *((volatile U16 *)(0x5555*2+ROM_BASE)) • #define CMD_ADDR1 *((volatile U16 *)(0x2aaa*2+ROM_BASE))

9.2 Nor Flash操作 • 9.2.6 SST39VF160存储器的程序设计 • 2、扇区擦除操作 • SectorErase函数实现了一个扇区（扇区的开始地址为“sector”）的擦除工作 • 注意数据查询位（DQ7）在编程函数和擦除函数中的使用差别

9.2 Nor Flash操作 • 9.2.6 SST39VF160存储器的程序设计 • 3、读操作 • FlashRead函数实现了从“ReadStart”位置，读取“Size”个字节的数据到“DataPtr”中。 • void FlashRead(unsigned int ReadStart, unsigned short *DataPtr, unsigned int Size) • { • int i; • ReadStart += ROM_BASE; • for(i=0; i<Size/2; i++) • *(DataPtr+i) = *((unsigned short *)ReadStart+i); • }

9.3 NAND Flash操作 • 9.3.1 K9F1280芯片介绍 • 常见的8位Nand Flash有三星公司的K9F1208、K9F1G08、K9F2G08等，K9F1208、K9F1G08、K9F2G08的数据页大小分别为512B、2kB、2kB。 • K9F1208存储容量为64M字节，除此之外还有2048K字节的spare存储区。该器件采用TSSOP48封装，工作电压2.7～3.6V。 K9F1208对528字节一页的写操作所需时间典型值是200μs，而对16K字节一块的擦除操作典型仅需2ms。8位I/O端口采用地址、数据和命令复用的方法。这样既可减少引脚数，还可使接口电路简洁。

9.3 NAND Flash操作 • 9.3.1 K9F1280芯片介绍 • 管脚名称描述 • I/O0 ~ I/O7 数据输入输出 • CLE 命令锁存使能 • ALE 地址锁存使能 • CE# 片选 • RE# 读使能 • WE# 写使能 • WP# 写保护 • R/B# 准备好/忙碌输出 • VCC 电源(+2.7V~3.6V) • VSS 地 • N.C 空管脚

9.3 NAND Flash操作 • 9.3.1 K9F1280芯片介绍 • 1block = 32page；1page = 528byte = 512byte(Main Area) + 16byte(Spare Area) • 总容量为 = 4 096(block数量) × 32(page/block) × 512(byte/page) = 64MB • Nand Flash以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据。 • 对Nand Flash的操作主要包括：读操作、擦除操作、写操作、坏块设别、坏块标识等。

9.3 NAND Flash操作 • 9.3.2 读操作过程 • K9F1208的寻址分为4个cycle，分别是A[0:7]、A[9:16]、A[17:24]、A[25] • 读操作的过程为：① 发送读取指令；② 发送第1个cycle地址；③ 发送第2个cycle地址；④ 发送第3个cycle地址；⑤ 发送第4个cycle地址；⑥ 读取数据至页末 • K9F1208提供了两个读指令：“0x00”、“0x01”。这两个指令区别在于“0x00”可以将A[8]置为0，选中上半页；而“0x01”可以将A[8]置为1，选中下半页 • 读操作的对象为一个页面，建议从页边界开始读写至页结束

9.3 NAND Flash操作 • 9.3.2 读操作过程 • K9F1208读操作流程如图

9.3 NAND Flash操作 • 9.3.3 擦除操作过程 • 擦除的操作过程为： • ① 发送擦除指令“0x60”； • ② 发送第1个cycle地址（A9～A16）； • ③ 发送第2个cycle地址（A17～A24）； • ④ 发送第3个cycle地址（A25）； • ⑤ 发送擦除指令“0xD0”； • ⑥ 发送查询状态命令字“0x70”； • ⑦ 读取K9F1208的数据总线，判断I/O 6上的值或判断R/B线上的值，直到I/O 6 = 1或R/ = 1； • ⑧ 判断I/O 0是否为0，从而确定操作是否成功。0表示成功，1表示失败。 • 擦除的对象是一个数据块，即32个页面。

9.3 NAND Flash操作 • 9.3.3 擦除操作过程 • K9F1208擦除操作流程图

9.3 NAND Flash操作 • 9.3.4 写操作过程 • 写入的操作过程为： • ① 发送编程指令“0x80”； • ② 发送第1个cycle地址（A0~A7）； • ③ 发送第2个cycle地址（A9～A16）； • ④ 发送第3个cycle地址（A17～A24）； • ⑤ 发送第4个cycle地址（A25）； • ⑥ 向K9F1208的数据总线发送一个扇区的数据； • ⑦ 发送编程指令“0x10”； • ⑧ 发送查询状态命令字“0x70”； • ⑨ 读取K9F1208的数据总线，判断I/O 6上的值或判断R/线上的值，直到I/O 6=1或R/ =1； • ⑩ 判断I/O 0是否为0，从而确定操作是否成功。0表示成功，1表示失败。 • 注意：写入的操作对象是一个页面。

9.3 NAND Flash操作 • 9.3.4 写操作过程 • K9F1208写操作流程图

9.4 S3C2410X中Nand Flash控制器的操作 • 9.4.1 S3C2410X Nand Flash控制器概述 • S3C2410x 可以实现从NAND Flash启动和引导系统，在SDRAM上执行主程序代码。 • S3C2410x中的NAND Flash的特性有： • 支持读/擦/编程NAND Flash存储器 • 支持自动引导模式：复位后，引导代码被送入Steppingstone，传送后，引导代码在Setppingstone中运行 • 具备硬件ECC产出模块 • NAND Flash控制器工作机制

9.4 S3C2410X中Nand Flash控制器的操作 • 9.4.2 S3C2410X Nand Flash控制器寄存器详解 • 配置寄存器NFCONF • （地址0x4E000000）

9.4 S3C2410X中Nand Flash控制器的操作 • 9.4.2 S3C2410X Nand Flash控制器寄存器详解 • 命令寄存器NFCMD（地址：0x4e000004） • 地址寄存器NFADDR（地址：0x4E000008）

9.4 S3C2410X中Nand Flash控制器的操作 • 9.4.2 S3C2410X Nand Flash控制器寄存器详解 • 数据寄存器NFDATA（地址：0x4E00000C） • 状态寄存器NFSTAT（地址：0x4E000010）

9.5 S3C2410X Nand Flash接口电路与程序设计 • 9.5.1 K9F1208和S3C2410X的接口电路 • K9F1208和S3C2410X • 的接口电路

9.5 S3C2410X Nand Flash接口电路与程序设计 • 9.5.2 S3C2410X NAND Flash寄存器设置 • （1）控制器初始化时，需要使能控制器 • 设置UFCON的[15]为“1”。 • （2）使能NAND Flash芯片 • 设置UFCON的[11]为“0”。 • （3）通过NAND控制器向NAND Flash写入命令 • 设置NFCMD为要发送的命令。 • （4）通过NAND控制器向NAND Flash写入地址 • 设置NFADDR为要发送的地址。 • （5）通过NAND控制器向NAND Flash写入数据 • 设置NFDATA为要写入的数据。

9.5 S3C2410X Nand Flash接口电路与程序设计 • 9.5.3 S3C2410X控制K9F1208的程序设计 • 实现向K9F1208的一个页面中写入0,1,2,3,4,5,6,7,8,9。然后读出数据，打印到串口终端。程序设计如下： • 1、NAND Flash控制器相关寄存器及宏定义 • 2、主测试程序 • 3、K9F1208初始化函数 • 4、K9F1208页面读函数 • 5、K9F1208页面写函数 • 6、K9F1208块擦除函数 • 7、调试与运行结果

9.6 SDRAM芯片介绍 • 9.6.1 SDRAM介绍 • SDRAM存储一个位的消息只需要一只晶体管，但是需要周期性地充电，才能使保存的信息不消失。 • SDRAM的一个存储位单元结构如图 • 电容器的状态决定了这个 • SDRAM单位的逻辑状态是 • 1还是0。一个充电的电容 • 器被认为是逻辑上的1， • 而“空”的电容器则是0 。

9.6 SDRAM芯片介绍 • 9.6.1 SDRAM介绍 • SDRAM内部结构 • 示意图

9.6 SDRAM芯片介绍 • 9.6.1 SDRAM介绍 • SDRAM的读取过程： • SDRAM的写入过程和读取过程基本一样，这里就不再详细介绍了 • 在SDRAM读取方式中，当一个读取周期结束后，和都必须失效，然后再进行一个回写过程才能进入到下一次的读取周期中。

9.6 SDRAM芯片介绍 • 9.6.1 SDRAM介绍 • 与Flash存储器相比较，SDRAM不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于Flash存储器，且具有读/写的属性，因此，SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区。当系统启动时，CPU首先从复位地址0x0处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码一般应调入SDRAM中运行，以提高系统的运行速度，同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在SDRAM中。 • SDRAM的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为避免数据丢失，必须定时刷新（充电） • 目前常用的SDRAM为8位/16位的数据宽度，工作电压一般为3.3V。主要的生产厂商为HYUNDAI、Winbond等

9.6 SDRAM芯片介绍 • 9.6.2 HY57V561620的结构 • HY57V561620存储容量为4M×4bank×16位（32M字节），工作电压为3.3V，常见封装为54脚TSOP，兼容LVTTL接口，支持自动刷新（Auto-Refresh）和自刷新（Self-Refresh），16位数据宽度

9.6 SDRAM芯片介绍 • 9.6.2 HY57V561620的结构 • 引脚名称 • CLK 时钟 • CKE 时钟使能 • /CS 片选 • BA0,BA1 组地址选择 • A12～A0 地址总线 • /RAS 行地址锁 • /CAS 存列地址锁 • /WE 存写使能 • LDQM，UDQM数据I/O屏蔽 • DQ15～DQ0 数据总线 • VDD/VSS 电源/地 • VDDQ/VSSQ电源/地 • NC 未连接

9.6 SDRAM芯片介绍 • 9.6.3 接口电路 • 采用的是利用两片16位的SDRAM构造成一片32位的SDRAM存储系统。

9.6 SDRAM芯片介绍 • 9.6.3 接口电路 • 引脚描述如下： • nSRAS：SDRAM行地址选通信号 • nSCAS：SDRAM列地址选通信号 • nGCS6：SDRAM芯片选择信号 • nWBE[3:0]：SDRAM数据屏蔽信号 • SCLK0[1]：SDRAM时钟信号 • SCKE：SDRAM时钟允许信号 • DATA[0:31]:32位数据信号 • ADDR[2:14]:行列地址信号 • ADDR[25:24]:bank选择线

9.6 SDRAM芯片介绍 • 9.6.3 接口电路 • HY57V561620的Bank选择线BAn与S3C2410X地址线的对应关系，依照表9-12选择连接。HY57V561620的Bank大小位64MB，总线宽度位16位，单个器件容量为256MB，存储空间配置为（4MB×16×4BANK）×2片。所以BANK地址对应A[25:24] • SDRAM Bank地址配置表

9.6 SDRAM芯片介绍 • 9.6.4 寄存器设置 • 1．BWSCON寄存器 • BWSCON寄存器主要用来设置外接存储器的总线宽度和等待状态 • BWSCON寄存器在Bank6上的位定义 • SDRAM（Bank6）采用32位总线宽度，因此，DW6=10，其他2位采用缺省值

9.6 SDRAM芯片介绍 • 9.6.4 寄存器设置 • 2．BANKCONn寄存器的设置 • S3C2410X有8个BANKCONn寄存器，分别对应着Bank0～Bank7。Bank6～Bank7可以作为FP/EDO/SDRAM等类型存储器的映射空间 • BANKCONn寄存器在Bank6和Bank7上的位定义 • BANKCONn寄存器在MT=11时的相关位定义 • Trcd是从行使能到列使能的延迟，根据S3C2410X的HCLK频率（100M）及HY57V561620特性，此项取01。SCAN为列地址线数量，此项根据HY57V561620特性取01。

9.6 SDRAM芯片介绍 • 9.6.4 寄存器设置 • 3．REFRESH寄存器是DRAM/SDRAM的刷新控制器

9.6 SDRAM芯片介绍 • 9.6.4 寄存器设置 • 4、BANKSIZE寄存器

9.6 SDRAM芯片介绍 • 9.6.4 寄存器设置 • 5、MRSR寄存器 • MRSR寄存器有2个，为MRSRB6和MRSRB7对应着Bank6和Bank7 • 注意：当代码在SDRAM中运行时，绝不能够重新配置MRSR寄存器。 • 在掉电模式下，SDRAM必须进入SDRAM的自我刷新模式。

9.7 小结 • 本章重点讲解了在嵌入式系统中常用的各种存储器，以及在S3C2410X芯片中NAND Flash、NOR Flash、SDRAM的操作方法。

9.8 思考与练习 • 9-1 Nor Flash和Nand Flash的特征及它们之间特性的对比？ • 9-2 Nor Flash的读、写、擦擦操作方法？ • 9-3 Nand Flash的读、写、擦擦操作方法？ • 9-4 SDRAM和RAM的区别？

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