淺談NandFLASH和NorFLASH接口設(shè)計(jì)和驅(qū)動開發(fā)

引 言

隨著嵌入式系統(tǒng)的迅速發(fā)展，其應(yīng)用環(huán)境的廣泛性，復(fù)雜性對構(gòu)建于系統(tǒng)上的Nor和Nand閃存設(shè)備提出更高要求，需要閃存設(shè)備傳輸速度更快，體積更小，容量更大，穩(wěn)定性更好。Flash 是一種創(chuàng)作工具，設(shè)計(jì)人員和開發(fā)人員可使用它來創(chuàng)建演示文稿、應(yīng)用程序和其它允許用戶交互的內(nèi)容。FLASH 可以包含簡單的動畫、視頻內(nèi)容、復(fù)雜演示文稿和應(yīng)用程序以及介于它們之間的任何內(nèi)容。通常，使用 Flash 創(chuàng)作的各個(gè)內(nèi)容單元稱為應(yīng)用程序，即使它們可能只是很簡單的動畫。您也可以通過添加圖片、聲音、視頻和特殊效果，構(gòu)建包含豐富媒體的 Flash 應(yīng)用程序。Flash 特別適用于創(chuàng)建通過 Internet 提供的內(nèi)容，因?yàn)樗奈募浅Ｐ?。Flash 是通過廣泛使用矢量圖形做到這一點(diǎn)的。與位圖圖形相比，矢量圖形需要的內(nèi)存和存儲空間小很多，因?yàn)樗鼈兪且詳?shù)學(xué)公式而不是大型數(shù)據(jù)集來表示的。位圖圖形之所以更大，是因?yàn)閳D像中的每個(gè)像素都需要一組單獨(dú)的數(shù)據(jù)來表示。

1 NandFLASH和NandFLASH對比

隨著存儲技術(shù)的高速發(fā)展，閃存設(shè)備因其在性能和成本方面的優(yōu)勢，可擦除性以及更低廉的價(jià)格正逐步取代傳統(tǒng)記憶體。它們的技術(shù)性能差異顯著，表1是它們的技術(shù)對比。

NorFLASH是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。Intel于1988年首先開發(fā)出NOR Flash 技術(shù)，徹底改變了原先由EPROM（Electrically Programmable Read-Only-Memory電可編程序只讀存儲器）和EEPROM（電可擦只讀存儲器Electrically Erasable Programmable Read - Only Memory）一統(tǒng)天下的局面。緊接著，1989年，東芝公司發(fā)表了NAND Flash 結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)降低每比特的成本，有更高的性能，并且像磁盤一樣可以通過接口輕松升級。NOR Flash 的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP ，eXecute In Place），這樣應(yīng)用程序可以直接在Flash閃存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR 的傳輸效率很高，在1~4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響到它的性能。NAND的結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，可以達(dá)到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快。應(yīng)用NAND的困難在于Flash的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口。

NorFLASH使用方便，易于連接，可以在芯片上直接運(yùn)行代碼，穩(wěn)定性出色，傳輸速率高，在小容量時(shí)有很高的性價(jià)比，這使其很適合應(yīng)于嵌入式系統(tǒng)中作為 FLASH ROM。相對于NorFLASH，NandFLASH強(qiáng)調(diào)更高的性能，更低的成本，更小的體積，更長的使用壽命。

然而FLASH閃存卻是保證數(shù)據(jù)正確性不太理想的設(shè)備，應(yīng)用中可能出現(xiàn)壞塊；這就給其在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用，如何更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲管理提出了更高要求。恰當(dāng)?shù)慕涌谠O(shè)計(jì)和驅(qū)動開發(fā)是解決問題的關(guān)鍵。

2 FLASH接口設(shè)計(jì)

2.1 處理器內(nèi)存分配情況

在分析FLASH的接口以及工作模式前，先分析處理器的內(nèi)存分配情況。內(nèi)核ARM920T是32位處理器，尋址空間4 GB，3 GB被處理器內(nèi)部的寄存器和一些其他設(shè)備占用，只有1 GB用于外部尋址；這1 GB的空間S3C2410分為8個(gè)部分以支持不同的設(shè)備，每個(gè)空間為128 Mb，被命名為BANK。S3C2410給每個(gè)BANK一個(gè)片選即nGCS0～nGCS7來方便對BANK的操作，將CPU上相應(yīng)的BANK連線接到外設(shè)芯片的片選引腳上就可以根據(jù)相應(yīng)的地址對存儲器進(jìn)行控制。

2.2 FLASH在系統(tǒng)中的架構(gòu)

FLASH模塊通過系統(tǒng)總線與處理器相連，如圖1所示。

隨著深亞微米工藝技術(shù)日益成熟，集成電路芯片的規(guī)模越來越大。數(shù)字IC從基于時(shí)序驅(qū)動的設(shè)計(jì)方法，發(fā)展到基于IP復(fù)用的設(shè)計(jì)方法，并在SOC設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。在基于IP復(fù)用的SoC（System on Chip的縮寫，稱為系統(tǒng)級芯片，也有稱片上系統(tǒng)）設(shè)計(jì)中，片上總線設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵的問題。為此，業(yè)界出現(xiàn)了很多片上總線標(biāo)準(zhǔn)。其中，由ARM公司推出的AMBA片上總線受到了廣大IP開發(fā)商和SoC系統(tǒng)集成者的青睞，已成為一種流行的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)片上結(jié)構(gòu)。AMBA規(guī)范主要包括了AHB（Advanced High performance Bus）系統(tǒng)總線和APB（Advanced Peripheral Bus）外圍總線。為了擁有高速的數(shù)據(jù)交換通道，F(xiàn)LASH經(jīng)由控制器模塊通過AHB總線與處理器通信。NandFLASH控制器、NorFLASH控制器和DMA控制器都是高速總線AHB上的Master模塊，都包含符合AMBA標(biāo)準(zhǔn)的總線接口模塊與AHB交互工作。

2.3 NorFLASH的接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)用的NorFLASH芯片是Atmel公司開發(fā)的AT49BV1614A，存儲空間為16 MB，在系統(tǒng)中常用于存放代碼，系統(tǒng)上電或復(fù)位后獲得指令開始執(zhí)行，因此，應(yīng)將其配置到Bank0，將AT49BV1614A的片選端nCE接至 S3C2410的nGCS0；AT49BVl614A的輸出使能端nOE接S3C2410的nOE；寫使能端nWE接S3C2410的nWBE0；將模式選擇nBYTE上拉，使AT49BV1614A工作在 16 位數(shù)據(jù)模式。

2. 4 NorFLASH在系統(tǒng)中的具體操作

以AT49BV1614A芯片時(shí)序圖為例，具體說明NorFLASH的寫操作，如圖2所示。

CLE信號有效時(shí)系統(tǒng)通過I／O口向命令寄存器發(fā)送命令00H，此時(shí)WE為低電平，寫操作有效，NandFLASH處于寫狀態(tài)。發(fā)送命令后，接著發(fā)送要讀的地址，該操作將占用WE的1，2，3，4四個(gè)周期，發(fā)送地址信息時(shí)，CLE為低電平，ALE為高電平。地址信息發(fā)送完畢后，不能立刻讀取數(shù)據(jù)，因?yàn)榇藭r(shí)芯片正處于BUSY（忙）狀態(tài)，需要等待2～20 ms，之后，才能開始數(shù)據(jù)讀取。

3 FLASH驅(qū)動程序開發(fā)

3.1 Linux系統(tǒng)下的驅(qū)動程序

Linux系統(tǒng)將所有的設(shè)備都看作具體的文件，通過文件系統(tǒng)對設(shè)備進(jìn)行管理。所以在Linux架構(gòu)中，和設(shè)備相關(guān)的處理分成兩層：文件系統(tǒng)層和設(shè)備驅(qū)動層。設(shè)備驅(qū)動層用來屏蔽具體設(shè)備的細(xì)節(jié)，文件系統(tǒng)層向用戶提供一組統(tǒng)一的接口。這種設(shè)備管理方法可以很好的實(shí)現(xiàn)設(shè)備無關(guān)性，使Linux系統(tǒng)可以隨著外部設(shè)備的發(fā)展進(jìn)行擴(kuò)展。

Linux系統(tǒng)里將FLASH設(shè)備歸屬到MTD設(shè)備下管理，相對于常規(guī)塊設(shè)備驅(qū)動程序，MTD設(shè)備驅(qū)動程序能更好的支持和管理閃存。具體講，基于MTD的 FLAsH驅(qū)動程序，對上層可以很好的支持JFFS（針對NorFLASH）和YAFFS（針對NandFLASH）等文件系統(tǒng)，對下層FLASH的讀寫，擦除，壞塊處理都能進(jìn)行很好的管理，它在硬件設(shè)備和上層文件系統(tǒng)間提供一個(gè)抽象接口。

3.2 FLASH驅(qū)動程序開發(fā)流程

FLASH驅(qū)動程序有兩種編程方式。一種是直接編程進(jìn)內(nèi)核（Kernel），另一種是編程成模塊（Modules），如果編程進(jìn)內(nèi)核，會增加內(nèi)核的大小，還要改動內(nèi)核源文件，不能動態(tài)卸載，不利于調(diào)試。

FLASH驅(qū)動開發(fā)流程要經(jīng)過四步：模塊化設(shè)計(jì)，編譯，加載，調(diào)用驗(yàn)證。如圖4所示。

3.2.1 驅(qū)動程序的模塊化設(shè)計(jì)

構(gòu)成FLASH驅(qū)動程序的所有子程序，要進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，必須加入兩個(gè)函數(shù)：入口函數(shù)module init（）和出口函數(shù)module_exit（）。在執(zhí)行程序時(shí)module_init（）會調(diào)用int_init cfi probe_init（void），負(fù)責(zé)初始化MTD芯片，同時(shí)這個(gè)函數(shù)還調(diào)用register_mtd_chip_driver（），將cfi_chipdrv加入至 MTD驅(qū)動器列表chip_drvs_list中。初始化成功返回0，否則返回負(fù)值。實(shí)現(xiàn)代碼為：

另一個(gè)函數(shù)module_exit（）執(zhí)行時(shí)，會調(diào)用staticvoid_exit cfi_probe_exit（void），負(fù)責(zé)清除MTD芯片驅(qū)動工作。同時(shí)這個(gè)函數(shù)還調(diào)用unregister_mtd_chip_driver（），將cfi_chipdrv從MTD芯片驅(qū)動器列表chip_drvs_list中刪除。實(shí)現(xiàn)代碼為：

其中：-O指定代碼優(yōu)化的級別；-D內(nèi)核模塊必須按照特殊定義的參數(shù)進(jìn)行編譯，這些參數(shù)跟在選項(xiàng)-D后；MODULE通知頭文件要給出適當(dāng)?shù)膬?nèi)核模塊定義；-KERNEL-通知頭文件形成的目標(biāo)代碼在內(nèi)核態(tài)運(yùn)行。得到的文件*.O就是一個(gè)FLASH驅(qū)動程序的目標(biāo)文件，這樣FLAsH驅(qū)動程序編譯好。

3.2.3 驅(qū)動程序的加載

加載模塊要用到兩個(gè)命令：insmod（加載），rmmod（卸載）。加載時(shí)，module_init（）函數(shù)被調(diào)用，這個(gè)函數(shù)向系統(tǒng)設(shè)備表登記 FLAsH設(shè)備。卸載時(shí)，module_exit（）函數(shù)被調(diào)用，它釋放FLASH設(shè)備在系統(tǒng)設(shè)備表中占有的表項(xiàng)。注冊成功后就可以用mknod命令將 FLASH設(shè)備映射為一個(gè)特別文件，其他程序使用FLASH設(shè)備時(shí)，只要對此文件進(jìn)行操作就行。Linux在／dev目錄中為每個(gè)設(shè)備建立了一個(gè)文件，用 ls-1命令列出函數(shù)返回值，若小于O，表示注冊失敗；否則表示注冊成功。注冊以后，Linux將FLAsH設(shè)備名與主、次設(shè)備號聯(lián)系起來。當(dāng)對 FLASH訪問時(shí)，Linux通過請求訪問FLASH設(shè)備名得到主、次設(shè)備號；然后把此訪問發(fā)送到FLASH設(shè)備驅(qū)動，F(xiàn)LASH驅(qū)動再根據(jù)次設(shè)備號調(diào)用不同的函數(shù)。

3.2.4 驅(qū)動程序的調(diào)用驗(yàn)證

模塊加載到內(nèi)核后，然后就要調(diào)用驗(yàn)證。在Linux根目錄下有dev子目錄，這里面是節(jié)點(diǎn)名，這些結(jié)點(diǎn)是通過mknod建立的，里面有MTD字符設(shè)備節(jié)點(diǎn)和MTD塊設(shè)備節(jié)點(diǎn)，通過訪問這些節(jié)點(diǎn)來訪問設(shè)備驅(qū)動程序。Open一般是設(shè)備節(jié)點(diǎn)上的第一個(gè)操作，訪問設(shè)備時(shí)其實(shí)就是系統(tǒng)調(diào)用open（）函數(shù)，然后 open（）函數(shù)打開設(shè)備準(zhǔn)備進(jìn)行I／O操作，該函數(shù)注冊進(jìn)mtd_fops結(jié)構(gòu)中。

上面就是NorFLASH和NandFLASH驅(qū)動程序架構(gòu)，具體開發(fā)驅(qū)動程序時(shí)，就要填充架構(gòu)里的程序代碼，來完成驅(qū)動程序。這個(gè)框架中有一個(gè)函數(shù)表，具體到Linux系統(tǒng)里，需要提供一個(gè)結(jié)構(gòu)來向系統(tǒng)說明FLASH驅(qū)動程序所提供的一組入口點(diǎn)，這個(gè)結(jié)構(gòu)就是fop函數(shù)表。

FLASH驅(qū)動程序運(yùn)行時(shí)，向內(nèi)核注冊，告訴系統(tǒng)fop函數(shù)表是跟FLASH驅(qū)動程序相關(guān)聯(lián)的。當(dāng)用戶去訪問驅(qū)動程序時(shí)，系統(tǒng)就告訴文件系統(tǒng)的管理程序，調(diào)用fop函數(shù)表就可以，然后調(diào)用函數(shù)表里的函數(shù)，完成用戶要求。當(dāng)從設(shè)備來收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)不是調(diào)用read（），write（）這兩個(gè)函數(shù)，fop結(jié)構(gòu)里沒這兩個(gè)函數(shù)，而是要用到一個(gè)函數(shù)blk_init_queue（），這個(gè)函數(shù)向上注冊了一個(gè)請求處理函數(shù)request，對FLASH設(shè)備的讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)，都是從請求隊(duì)列發(fā)出一個(gè)請求，請求調(diào)用請求處理函數(shù)，由請求處理函數(shù)執(zhí)行具體的讀寫操作。

4 結(jié) 語

基于Samsung公司的s3c2410處理器平臺，分析和設(shè)計(jì)NorFLASH和NandFLASH的接口和驅(qū)動，詳細(xì)介紹兩種FLASH的硬件結(jié)構(gòu)、性能差異、讀寫時(shí)序、以及驅(qū)動開發(fā)。NorFLASH和NandFLASH因其在存儲數(shù)據(jù)和程序以及性價(jià)比方面的優(yōu)勢，占據(jù)的存儲器市場份額越來越多，并在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。