Программирование и копирование NAND FLASH

Для успешной работы с микросхемами NAND Flash (нанд флэш) необходимо, как минимум:

• Иметь представление о структуре, существующих способах и алгоритмах использования информации хранимой в такой памяти.
• Иметь программатор, который корректно поддерживает работу с подобными микросхемами, т.е. позволяет выбрать и реализовать необходимые параметры и алгоритмы обработки.

Программатор для работы с нанд флэш памятью должен быть очень быстрым. Программирование или чтение микросхемы объемом в несколько Гбит на обычном программаторе по времени занимает несколько часов. Очевидно, что для более или менее регулярного программирования микросхем большого объема нужен специализированный быстрый программатор, адаптированный для работы с микросхемами высокой плотности. На сегодняшний день, ChipProg-481 самый быстрый программатор.

• Программирование нанд флэш;
• Копирование;
• Структура памяти нанд флэш;
• Плохие блоки.

Программирование NAND FLASH

Программатор ChipProg-481 предоставляет широкий спектр возможностей по выбору/настройке способов и параметров программирования. Все параметры влияющие на алгоритм работы программатора с микросхемой, выводятся в окно "Редактор параметров микросхемы и алгоритма программирования". При необходимости, любой из этих параметров может быть изменен, с тем что бы выбранное действие (программирование, сравнение, чтение, стирание) - производилось по алгоритму необходимому пользователю программатора.

Окно "Редактор параметров микросхемы и алгоритма программирования" в интерфейсе программатора.

Большое количество настраиваемых параметров, формирующих алгоритм работы программатора продиктовано желанием предоставить универсальный инструмент, позволяющий пользователю максимально полно реализовать все особенности присущие нанд структуре. Для облегчения жизни, программатор ChipProg-481 предоставляет следующие возможности при выборе/задании режимов и параметров при программировании NAND Flash микросхем:

• Все параметры принимают значения заданные в предшествующем сеансе (сессии) программирования выбранной NAND Flash. (количество сохраненных сессий неограниченно).
• Все параметры принимают значения заданные для данной нанд флэш в рамках "проекта" (количество "проектов" неограниченно)
• Все параметры автоматически принимают необходимые значения  после запуска "скрипта". "Скрипты" пишутся на встроенном в оболочку программатора C подобном языке.
• Все (или выборочно) параметры принимают значения по умолчанию.
• Значения всех параметров доступны для редактирования в графическом интерфейсе программатора.

Рассмотрим режимы и параметры программирования реализованные в программаторе.

Режимы программирования.

1. Invalid Block Management   
   
2. Spare Area Usage
3. Guard Solid Area
4. Tolerant Verify Feature
5. Invalid Block Indication Option

 1. Работа с плохими блoками.

Перед программированием NAND Flash можно/нужно выбрать один из способов работы с плохими блоками.

2. Использование области Spare Area.

3. Guard Solid Area

Режим использования специальной области без плохих блoкoв. Обычно такие области используются в качестве загрузчиков микропроцессоров. В этой области недопустимо использование плoxих блoкoв.
Опция используется совместно с параметрами:

• Solid Area - Start Block - начальный блoк области без плoxих блoкoв.
• Solid Area - Number of Blocks- количество блoкoв в этой области.

В случае, если внутри заданного диапазона Solid Area попадется плохой блoк, программатор выдаст ошибку.

4. Не чувствительность к ошибкам сравнения.

Эта опция позволяет включить режим не чувствительности к ошибкам сравнения.
Обычно, эту опцию имеет смысл использовать, если в устройстве пользователя применяются алгоритмы контроля и коррекции ошибок (ECC). В этих случаях допускается наличия определенного количества ошибок на определенный размер массива данных. Эти параметры и указываются в параметрах алгоритма программирования NAND Flash:

• ECC Frame size (bytes) - размер массива данных.
• Acceptable number of errors - допустимое количество однобитных ошибок.

5.   Invalid Block Indication Option.

В этой опции выбирается информация, которая используется в качестве маркера плохих блоков. Допускается выбрать либо значение 00h, либо 0F0h.

• IB Indication Value ~ 00  или  F0

Параметры программирования.

1. User Area
2. Solid Area
3. RBA Area
4. ECC Frame size
5. Acceptable number of errors

a.  Пользовательская область.

Пользовательская область - это область микросхемы, с которой работают процедуры Программирования, Чтения и Сравнения.
Процедуры Стирания и Контроля на чистоту работают со всем массивом микросхемы.

Пользователю необходимо установить параметры:

• User Area - Start Block - начальный блoк пользовательской области.
• User Area - Number of Blocks - количество блoков в пользовательской области.  

b.  Область без ошибок.

Параметры режима Guard Solid Area.  

• Solid Area - Start Block - начальный блoк области без плoхих блоков.
• Solid Area - Number of Blocks- количество блоков в этой области.  

c.  Область размещения RBA.  

• RBA Area - Start Block - начальный блок таблицы RBA.
• RBA Area - Number of Blocks- количество блоков в таблице RBA.  

d.  Размер фрейма ECC. 

• ECC Frame Size - параметр определяющий размер массива данных, в котором допускаются однобитные ошибки.

e.  Допустимое количество ошибок.

• Acceptable number of errors- параметр определяет количество однобитных ошибок, допустимых в массиве, размер, которого определяется параметром  ECC Frame size. 

Карта плохих блоков

Карта плохих блоков создается в подслое Invalid Block Map. Карта блоков представляется как непрерывный массив бит. Хорошие блоки представляются значением 0, плохие блоки - 1.

Например, значение 02h по нулевому адресу говорит о том, что 0,2,3,4,5,6,7 блоки являются хорошими, 1-ый блок является плохим. Значение 01h по первому адресу говорит о том, что только 8-ой блок является плохим из группы блоков 8..15.

Копирование NAND Flash

В качестве иллюстрации важности "зрячего" выбора режимов и параметров при программировании нанд флэш в программаторе, рассмотрим ситуацию, при которой у некоторых программистов возникают проблемы. Чаще всего, это замена микросхемы в "устройстве", которое перестало работать. Стандартный подход - по аналогии с заменой обычной микросхемы памяти:

1. Получить прошивку работающей микросхемы. Как правило, для этого считывается содержимое из микросхемы-оригинала.
2. Прошить новую аналогичную микросхему.
3. Сравнить содержание запрограммированной мс. с прошивкой "оригинала". Если сравнение прошло, микросхема - копия готова.

В случае, когда требуется программировать NAND Flash, не все так просто и однозначно.

1. Прошивка полученная при считывании программатором из "оригинала" - существенным образом зависит от установленных в программаторе режимов и параметров.
2. Для того что бы корректно запрограммировать новую нанд флэш и получить полную копию, необходимо перед программированием установить в программаторе режимы и параметры соответствующие прошивке "оригинала". При этом, необходимо учитывать возможность существования плохих блоков.

Для получения микросхемы-копии, у которой прошивка идентична образцу, необходимо поступать следующим образом.

Подготовка к копированию.

Для копирования необходимы микросхема-оригинал и микросхема-копия (мс. в которую предполагается записать образ оригинала). Обязательные требования:

1. Обе микросхемы и оригинал и копия должны быть одного типа.
2. Микросхема-копия не должна иметь плохих блоков.

Чтобы определить, имеет ли микросхема-копия плохие блоки, необходимо установить микросхему в программатор, и в окне “Редактор параметров микросхемы” задать параметры микросхемы по умолчанию - кнопка "All Default".

Запускается процедура контроля на стертость (для экономии времени можно сразу же отменить эту процедуру, считывание карты плохих блоков осуществляется в самом начале). В окне "Программирование" интерфейса программатора, в поле “Информация об операциях” появляется информация о плохих блоках.

Перед копированием микросхемы в программаторе обязательно должны быть сделаны следующие настройки параметров в окне “Редактор параметров микросхемы”:

Invalid Block(IB) Management   -  Do NOT USE

Spare Area Usage                       -  User Data

User Area – Number of Blocks    -  Максимальное значение блоков в микросхеме

 

В программатор устанавливается образец и считывается. Затем в программатор устанавливается микросхема-копия, стирается, записывается и сравнивается. В случае успешного прохождения всех трех процедур запрограммированная NAND Flash оказывается полной копией оригинала.

Структура памяти NAND Flash.

Нанд флэш память^* подразделяется на блоки (Block) памяти, которые в свою очередь делятся на страницы (Page). Страницы бывают большие (large page) и маленькие (small page). Размер страницы зависит от общего размера микросхемы. Для маленькой страницы обычно характерны микросхемы объемом от 128Kбит до 512Кбит. Микросхемы с большим размером страницы имеют объем от 256Кбит до 32Гбит и выше. Маленький размер страницы равен 512 байтам для микросхем с байтной организацией и 256 словам для микросхем со словной организаций шины данных. Большая страница имеет размер 2048 байт для байтных микросхем и 1024 для словных. В последнее время появляются микросхемы с еще большим размером страницы. Она уже составляет 4096 байт для байтных микросхем. 

 

 Структура памяти микросхем NAND Flash с малым размером страницы фирмы STMicroelectronics.

 

 Структура памяти микросхем с большим размером страницы фирмы STMicroelectronics.

Плохие блоки

Характерной особенностью микросхем NAND Flash является наличие плохих (дефектных) блоков (Bad blocks) как в новых микросхемах, так и появление таких блоков в процессе эксплуатации. Для маркирования плохих блоков, а также для сохранения дополнительной служебной информации или кодов коррекции, в архитектуре NAND Flash в дополнении к каждой странице памяти данных предусмотрена добавочная область Spare area. Для микросхем с малой страницей эта область имеет размер 16 байт / 8 слов. Для микросхем с большой страницей - 64 байта / 32 слова. 

Обычно производитель микросхем гарантирует количество плохих блоков, не превышающее определенного размера. Информация о плохих блоках поставляется производителем микросхем в определенном месте дополнительной области Spare Area.

Маркирование плохих блоков в микросхемах NAND Flash осуществляется записью обычно значения 0 по определенному адресу в  области Spare Area нулевой страницы плохого блока. Маркеры плохих блоков лежат в определенных адресах области Spare Area.

Нужно иметь ввиду, что маркеры плохих блоков помещаются в обычные ячейки Flash памяти Spare Area, которые стираются при стирании всего блока памяти. Поэтому для сохранения информации о плохих блоках перед стиранием обязательно нужно сохранить эту информацию, а после стирания ее - восстановить.
В программаторах ChipProg при установке опции InvalidBlockManagement в любое значение кроме Do Not Useсохранение и восстановление информации о плохих блоках происходит автоматически.

Существует три наиболее распространенных способа обработки плохих блоков:

1. Skip Bad Blocks   (Пропуск плохих блоков.)
2. Reserved Block Area   (Резервирование блоков)
3. Error Checking and Correction   (Контроль и коррекция ошибок.)

1. Пропуск плохих блоков.

Алгоритм пропуска плохих блоков заключается в том, что при записи в микросхему анализируется в какой блок осуществляется запись. В случае наличия плохого блока, запись в этот блок не осуществляется, плохой блок пропускается, запись осуществляется в блок следующий после плохого.

2. Резервирование блоков.

В этом методе память всей микрохемы делится на три области: User Block Area (UBA) - пользовательская область, Block Reservoir - резервная область, следуемая сразу за пользовательской областью, и таблицу соответствия плохих блоков хорошим (Reserved Block Area - RBA).

Алгоритм замены плохих блоков в этом методе таков: при выявлении плохого блока из области UBA блок переносится в область Block Reservoir, при этом в таблице RBA делается соответствующая запись замены блока.

Формат таблицы RBA:

Маркер имеет значение 0FDFEh.

Count Field начинается с 1 и значение этого поля увеличивается на 1 на каждой следующей странице данного блока.

Invalid Block - номер замененного плохого блока.

Replaced Block - номер блока, на который был заменен плохой блок.
Пары Invalid Block и Replaced Block следуют одна за другой до конца страницы.
В области RBA находятся две таблицы в двух блоках. Таблица во втором блоке используется как резервная на случай, если информация в первой окажется недостоверной.

3. Контроль и коррекция ошибок.

Для увеличения достоверности данных могут использоваться алгоритмы контроля и коррекции ошибок (Error Checking and Correction - ECC). Эта дополнительная информация может помещаться в свободное пространство Spare Area.

^*) Примечание: NAND ~ Not AND  - в булевой математике обозначает отрицание «И»