Linux下NAND FLASH驅(qū)動開發(fā)

但是由于物理制程 / 制造方面的原因，導(dǎo)致 nor 和 nand 在一些具體操作方面的特性不同：

 表1：Nand Flash 和 Nor Flash 的區(qū)別

1. 理論上是可以的，而且也是有人驗(yàn)證過可以的，只不過由于 nand flash 的物理特性，不能完全保證所讀取的數(shù)據(jù) / 代碼是正確的，實(shí)際上，很少這么用而已。因?yàn)?，如果真是要用?nand flash 做 XIP ，那么除了讀出速度慢之外，還要保證有數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，以保證讀出來的，將要執(zhí)行的代碼 / 數(shù)據(jù)，是正確的。否則，系統(tǒng)很容易就跑飛了。

2. 芯片內(nèi)執(zhí)行 (XIP, eXecute In Place) :

http://hi.baidu.com/serial_story/blog/item/adb20a2a3f8ffe3c5243c1df.html

【 Nand Flash 的種類】

具體再分，又可以分為

1)Bare NAND chips ：裸片，單獨(dú)的 nand 芯片

2)SmartMediaCards ： = 裸片 + 一層薄塑料，常用于數(shù)碼相機(jī)和 MP3 播放器中。之所以稱 smart ，是由于其軟件 smart ，而不是硬件本身有啥 smart 之處。 ^_^

3)DiskOnChip ：裸片 +glue logic ， glue logic= 硬件 ECC 產(chǎn)生器 + 用于靜態(tài)的 nand 芯片控制的寄存器 + 直接訪問一小片地址窗口，那塊地址中包含了引導(dǎo)代碼的 stub 樁，其可以從 nand flash 中拷貝真正的引導(dǎo)代碼。

【 spare area/oob 】

Nand 由于最初硬件設(shè)計時候考慮到，額外的錯誤校驗(yàn)等需要空間，專門對應(yīng)每個頁，額外設(shè)計了叫做 spare area 空區(qū)域，在其他地方，比如 jffs2 文件系統(tǒng)中，也叫做 oob ( out of band )數(shù)據(jù)。

其具體用途，總結(jié)起來有：

1. 標(biāo)記是否是壞快

2. 存儲 ECC 數(shù)據(jù)

3. 存儲一些和文件系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)，如 jffs2 就會用到這些空間存儲一些特定信息， yaffs2 文件系統(tǒng)，會在 oob 中，存放很多和自己文件系統(tǒng)相關(guān)的信息。

2. 軟件方面

如果想要在 Linux 下編寫 Nand Flash 驅(qū)動，那么就先要搞清楚 Linux 下，關(guān)于此部分的整個框架。弄明白，系統(tǒng)是如何管理你的 nand flash 的，以及，系統(tǒng)都幫你做了那些準(zhǔn)備工作，而剩下的，驅(qū)動底層實(shí)現(xiàn)部分，你要去實(shí)現(xiàn)哪些功能，才能使得硬件正常工作起來。

【內(nèi)存技術(shù)設(shè)備， MTD ( Memory Technology Device )】

MTD ，是 Linux 的存儲設(shè)備中的一個子系統(tǒng)。其設(shè)計此系統(tǒng)的目的是，對于內(nèi)存類的設(shè)備，提供一個抽象層，一個接口，使得對于硬件驅(qū)動設(shè)計者來說，可以盡量少的去關(guān)心存儲格式，比如 FTL ， FFS2 等，而只需要去提供最簡單的底層硬件設(shè)備的讀 / 寫 / 擦除函數(shù)就可以了。而對于數(shù)據(jù)對于上層使用者來說是如何表示的，硬件驅(qū)動設(shè)計者可以不關(guān)心，而 MTD 存儲設(shè)備子系統(tǒng)都幫你做好了。

對于 MTD 字系統(tǒng)的好處，簡單解釋就是，他幫助你實(shí)現(xiàn)了，很多對于以前或者其他系統(tǒng)來說，本來也是你驅(qū)動設(shè)計者要去實(shí)現(xiàn)的很多功能。換句話說，有了 MTD ，使得你設(shè)計 Nand Flash 的驅(qū)動，所要做的事情，要少很多很多，因?yàn)榇蟛糠止ぷ?，都?MTD 幫你做好了。

當(dāng)然，這個好處的一個“副作用”就是，使得我們不了解的人去理解整個 Linux 驅(qū)動架構(gòu)，以及 MTD ，變得更加復(fù)雜。但是，總的說，覺得是利遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弊，否則，就不僅需要你理解，而且還是做更多的工作，實(shí)現(xiàn)更多的功能了。

此外，還有一個重要的原因，那就是，前面提到的 nand flash 和普通硬盤等設(shè)備的特殊性：

有限的通過出復(fù)用來實(shí)現(xiàn)輸入輸出命令和地址 / 數(shù)據(jù)等的 IO 接口，最小單位是頁而不是常見的 bit ，寫前需擦除等，導(dǎo)致了這類設(shè)備，不能像平常對待硬盤等操作一樣去操作，只能采取一些特殊方法，這就誕生了 MTD 設(shè)備的統(tǒng)一抽象層。

MTD ，將 nand flash ， nor flash 和其他類型的 flash 等設(shè)備，統(tǒng)一抽象成 MTD 設(shè)備來管理，根據(jù)這些設(shè)備的特點(diǎn)，上層實(shí)現(xiàn)了常見的操作函數(shù)封裝，底層具體的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，就需要驅(qū)動設(shè)計者自己來實(shí)現(xiàn)了。具體的內(nèi)部硬件設(shè)備的讀 / 寫 / 擦除函數(shù)，那就是你必須實(shí)現(xiàn)的了。

表 2.MTD 設(shè)備和硬盤設(shè)備之間的區(qū)別

多說一句，關(guān)于 MTD 更多的內(nèi)容，感興趣的，去附錄中的 MTD 的主頁去看。

關(guān)于 mtd 設(shè)備驅(qū)動，感興趣的可以去參考

MTD 原始設(shè)備與 FLASH 硬件驅(qū)動的對話

MTD 原始設(shè)備與 FLASH 硬件驅(qū)動的對話 - 續(xù)

那里，算是比較詳細(xì)地介紹了整個流程，方便大家理解整個 mtd 框架和 nand flash 驅(qū)動。[!--empirenews.page--]

【 Nand flash 驅(qū)動工作原理】

在介紹具體如何寫 Nand Flash 驅(qū)動之前，我們先要了解，大概的，整個系統(tǒng)，和 Nand Flash 相關(guān)的部分的驅(qū)動工作流程，這樣，對于后面的驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，才能更加清楚機(jī)制，才更容易實(shí)現(xiàn)，否則就是，即使寫完了代碼，也還是沒搞懂系統(tǒng)是如何工作的了。

讓我們以最常見的， Linux 內(nèi)核中已經(jīng)有的三星的 Nand Flash 驅(qū)動，來解釋 Nand Flash 驅(qū)動具體流程和原理。

此處是參考 2.6.29 版本的 Linux 源碼中的 /drivers/mtd/nand/s3c2410.c ，以 2410 為例。

1. 在 nand flash 驅(qū)動加載后，第一步，就是去調(diào)用對應(yīng)的 init 函數(shù)， s3c2410_nand_init, 去將在 nand flash 驅(qū)動注冊到 Linux 驅(qū)動框架中。

2. 驅(qū)動本身，真正開始，是從 probe 函數(shù)， s3c2410_nand_probe->s3c24xx_nand_probe,

在 probe 過程中，去用 clk_enable 打開 nand flash 控制器的 clock 時鐘，用 request_mem_region 去申請驅(qū)動所需要的一些內(nèi)存等相關(guān)資源。然后，在 s3c2410_nand_inithw 中，去初始化硬件相關(guān)的部分，主要是關(guān)于時鐘頻率的計算，以及啟用 nand flash 控制器，使得硬件初始化好了，后面才能正常工作。

3. 需要多解釋一下的，是這部分代碼：

for (setno = 0; setno < nr_sets; setno++, nmtd++) {

pr_debug("initialising set %d (%p, info %p)/n", setno, nmtd, info);

/* 調(diào)用 init chip 去掛載你的 nand 驅(qū)動的底層函數(shù)到 nand flash 的結(jié)構(gòu)體中，以及設(shè)置對應(yīng)的 ecc mode ，掛載 ecc 相關(guān)的函數(shù) */

s3c2410_nand_init_chip(info, nmtd, sets);

/* scan_ident ，掃描 nand 設(shè)備，設(shè)置 nand flash 的默認(rèn)函數(shù)，獲得物理設(shè)備的具體型號以及對應(yīng)各個特性參數(shù)，這部分算出來的一些值，對于 nand flash 來說，是最主要的參數(shù)，比如 nand falsh 的芯片的大小，塊大小，頁大小等。 */

nmtd->scan_res = nand_scan_ident(&nmtd->mtd,

(sets) ? sets->nr_chips : 1);

if (nmtd->scan_res == 0) {

s3c2410_nand_update_chip(info, nmtd);

/* scan tail ，從名字就可以看出來，是掃描的后一階段，此時，經(jīng)過前面的 scan_ident ，我們已經(jīng)獲得對應(yīng) nand flash 的硬件的各個參數(shù)，然后就可以在 scan tail 中，根據(jù)這些參數(shù)，去設(shè)置其他一些重要參數(shù)，尤其是 ecc 的 layout ，即 ecc 是如何在 oob 中擺放的，最后，再去進(jìn)行一些初始化操作，主要是根據(jù)你的驅(qū)動，如果沒有實(shí)現(xiàn)一些函數(shù)的話，那么就用系統(tǒng)默認(rèn)的。 */

nand_scan_tail(&nmtd->mtd);

/* add partion ，根據(jù)你的 nand flash 的分區(qū)設(shè)置，去分區(qū) */

s3c2410_nand_add_partition(info, nmtd, sets);

}

if (sets != NULL)

sets++;

}

4. 等所有的參數(shù)都計算好了，函數(shù)都掛載完畢，系統(tǒng)就可以正常工作了。

上層訪問你的 nand falsh 中的數(shù)據(jù)的時候，通過 MTD 層，一層層調(diào)用，最后調(diào)用到你所實(shí)現(xiàn)的那些底層訪問硬件數(shù)據(jù) / 緩存的函數(shù)中。

【 Linux 下 nand flash 驅(qū)動編寫步驟簡介】

關(guān)于上面提到的，在 nand_scan_tail 的時候，系統(tǒng)會根據(jù)你的驅(qū)動，如果沒有實(shí)現(xiàn)一些函數(shù)的話，那么就用系統(tǒng)默認(rèn)的。如果實(shí)現(xiàn)了自己的函數(shù)，就用你的。

估計很多人就會問了，那么到底我要實(shí)現(xiàn)哪些函數(shù)呢，而又有哪些是可以不實(shí)現(xiàn)，用系統(tǒng)默認(rèn)的就可以了呢。

此問題的，就是我們下面要介紹的，也就是，你要實(shí)現(xiàn)的，你的驅(qū)動最少要做哪些工作，才能使整個 nand flash 工作起來。

1. 對于驅(qū)動框架部分

其實(shí)，要了解，關(guān)于驅(qū)動框架部分，你所要做的事情的話，只要看看三星的整個 nand flash 驅(qū)動中的這個結(jié)構(gòu)體，就差不多了：

static struct platform_driver s3c2410_nand_driver = {

.probe = s3c2410_nand_probe,

.remove = s3c2410_nand_remove,

.suspend = s3c24xx_nand_suspend,

.resume = s3c24xx_nand_resume,

.driver = {

.name = "s3c2410-nand",

.owner = THIS_MODULE,

},

};

對于上面這個結(jié)構(gòu)體，沒多少要解釋的。從名字，就能看出來：

( 1 ) probe 就是系統(tǒng)“探測”，就是前面解釋的整個過程，這個過程中的多數(shù)步驟，都是和你自己的 nand flash 相關(guān)的，尤其是那些硬件初始化部分，是你必須要自己實(shí)現(xiàn)的。

( 2 ) remove ，就是和 probe 對應(yīng)的，“反初始化”相關(guān)的動作。主要是釋放系統(tǒng)相關(guān)資源和關(guān)閉硬件的時鐘等常見操作了。

(3)suspend 和 resume ，對于很多沒用到電源管理的情況下，至少對于我們剛開始寫基本的驅(qū)動的時候，可以不用關(guān)心，放個空函數(shù)即可。

2. 對于 nand flash 底層操作實(shí)現(xiàn)部分

而對于底層硬件操作的有些函數(shù)，總體上說，都可以在上面提到的 s3c2410_nand_init_chip 中找到：

static void s3c2410_nand_init_chip(struct s3c2410_nand_info *info,

struct s3c2410_nand_mtd *nmtd,

struct s3c2410_nand_set *set)

{

struct nand_chip *chip = &nmtd->chip;

void __iomem *regs = info->regs;

chip->write_buf = s3c2410_nand_write_buf ;

chip->read_buf = s3c2410_nand_read_buf ;

chip->select_chip = s3c2410_nand_select_chip ;

chip->chip_delay = 50;

chip->priv = nmtd;

chip->options = 0;

chip->controller = &info->controller;

switch (info->cpu_type) {

case TYPE_S3C2410:

/* nand flash 控制器中，一般都有對應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器，用于給你往里面寫數(shù)據(jù)，表示將要讀取或?qū)懭攵嗌賯€字節(jié) (byte,u8)/ 字 (word,u32) ，所以，此處，你要給出地址，以便后面的操作所使用 */

chip->IO_ADDR_W = regs + S3C2410_NFDATA;[!--empirenews.page--]

info->sel_reg = regs + S3C2410_NFCONF;

info->sel_bit = S3C2410_NFCONF_nFCE;

chip->cmd_ctrl = s3c2410_nand_hwcontrol ;

chip->dev_ready = s3c2410_nand_devready ;

break;

。。。。。。

}

chip->IO_ADDR_R = chip->IO_ADDR_W;

nmtd->info = info;

nmtd->mtd.priv = chip;

nmtd->mtd.owner = THIS_MODULE;

nmtd->set = set;

if (hardware_ecc) {

chip->ecc.calculate = s3c2410_nand_calculate_ecc ;

chip->ecc.correct = s3c2410_nand_correct_data ;

/* 此處，多數(shù)情況下，你所用的 Nand Flash 的控制器，都是支持硬件 ECC 的，所以，此處設(shè)置硬件 ECC(HW_ECC) ，也是充分利用硬件的特性，而如果此處不用硬件去做的 ECC 的話，那么下面也會去設(shè)置成 NAND_ECC_SOFT ，系統(tǒng)會用默認(rèn)的軟件去做 ECC 校驗(yàn)，相比之下，比硬件 ECC 的效率就低很多，而你的 nand flash 的讀寫，也會相應(yīng)地要慢不少 */

chip->ecc.mode = NAND_ECC_HW;

switch (info->cpu_type) {

case TYPE_S3C2410:

chip->ecc.hwctl = s3c2410_nand_enable_hwecc ;

chip->ecc.calculate = s3c2410_nand_calculate_ecc;

break;

。。。。。

}

} else {

chip->ecc.mode = NAND_ECC_SOFT;

}

if (set->ecc_layout != NULL)

chip->ecc.layout = set->ecc_layout;

if (set->disable_ecc)

chip->ecc.mode = NAND_ECC_NONE;

}

而我們要實(shí)現(xiàn)的底層函數(shù)，也就是上面藍(lán)色標(biāo)出來的一些函數(shù)而已：

( 1 ) s3c2410_nand_write_buf 和 s3c2410_nand_read_buf ：這是兩個最基本的操作函數(shù)，其功能，就是往你的 nand flash 的控制器中的 FIFO 讀寫數(shù)據(jù)。一般情況下，是 MTD 上層的操作，比如要讀取一頁的數(shù)據(jù)，那么在發(fā)送完相關(guān)的讀命令和等待時間之后，就會調(diào)用到你底層的 read_buf ，去 nand Flash 的 FIFO 中，一點(diǎn)點(diǎn)把我們要的數(shù)據(jù)，讀取出來，放到我們制定的內(nèi)存的緩存中去。寫操作也是類似，將我們內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，寫到 Nand Flash 的 FIFO 中去。具體的數(shù)據(jù)流向，參考上面的圖 4 。

( 2 ) s3c2410_nand_select_chip ： 實(shí)現(xiàn) Nand Flash 的片選。

( 3 ) s3c2410_nand_hwcontrol ：給底層發(fā)送命令或地址，或者設(shè)置具體操作的模式，都是通過此函數(shù)。

( 4 ) s3c2410_nand_devready ： Nand Flash 的一些操作，比如讀一頁數(shù)據(jù)，寫入(編程)一頁數(shù)據(jù)，擦除一個塊，都是需要一定時間的，在命發(fā)送完成后，就是硬件開始忙著工作的時候了，而硬件什么時候完成這些操作，什么時候不忙了，變就緒了，就是通過這個函數(shù)去檢查狀態(tài)的。一般具體實(shí)現(xiàn)都是去讀硬件的一個狀態(tài)寄存器，其中某一位是否是 1 ，對應(yīng)著是出于“就緒 / 不忙”還是“忙”的狀態(tài)。這個寄存器，也就是我們前面分析時序圖中的 R/B# 。

( 5 ) s3c2410_nand_enable_hwecc ： 在硬件支持的前提下，前面設(shè)置了硬件 ECC 的話，要實(shí)現(xiàn)這個函數(shù)，用于每次在讀寫操作前，通過設(shè)置對應(yīng)的硬件寄存器的某些位，使得啟用硬件 ECC ，這樣在讀寫操作完成后，就可以去讀取硬件校驗(yàn)產(chǎn)生出來的 ECC 數(shù)值了。

( 6 ) s3c2410_nand_calculate_ecc ：如果是上面提到的硬件 ECC 的話，就不用我們用軟件去實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)算法了，而是直接去讀取硬件產(chǎn)生的 ECC 數(shù)值就可以了。

( 7 ) s3c2410_nand_correct_data ：當(dāng)實(shí)際操作過程中，讀取出來的數(shù)據(jù)所對應(yīng)的硬件或軟件計算出來的 ECC ，和從 oob 中讀出來的 ECC 不一樣的時候，就是說明數(shù)據(jù)有誤了，就需要調(diào)用此函數(shù)去糾正錯誤。對于現(xiàn)在 SLC 常見的 ECC 算法來說，可以發(fā)現(xiàn) 2 位，糾正 1 位。如果錯誤大于 1 位，那么就無法糾正回來了。一般情況下，出錯超過 1 位的，好像幾率不大。至少我看到的不是很大。更復(fù)雜的情況和更加注重數(shù)據(jù)安全的情況下，一般是需要另外實(shí)現(xiàn)更高效和檢錯和糾錯能力更強(qiáng)的 ECC 算法的。

當(dāng)然，除了這些你必須實(shí)現(xiàn)的函數(shù)之外，在你更加熟悉整個框架之后，你可以根據(jù)你自己的 nand flash 的特點(diǎn)，去實(shí)現(xiàn)其他一些原先用系統(tǒng)默認(rèn)但是效率不高的函數(shù)，而用自己的更高效率的函數(shù)替代他們，以提升你的 nand flash 的整體性能和效率。