淺談NandFLASH和NorFLASH接口設計和驅動開發(fā)

引 言

隨著嵌入式系統(tǒng)的迅速發(fā)展，其應用環(huán)境的廣泛性，復雜性對構建于系統(tǒng)上的Nor和Nand閃存設備提出更高要求，需要閃存設備傳輸速度更快，體積更小，容量更大，穩(wěn)定性更好。Flash 是一種創(chuàng)作工具，設計人員和開發(fā)人員可使用它來創(chuàng)建演示文稿、應用程序和其它允許用戶交互的內容。FLASH 可以包含簡單的動畫、視頻內容、復雜演示文稿和應用程序以及介于它們之間的任何內容。通常，使用 Flash 創(chuàng)作的各個內容單元稱為應用程序，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，構建包含豐富媒體的 Flash 應用程序。Flash 特別適用于創(chuàng)建通過 Internet 提供的內容，因為它的文件非常小。Flash 是通過廣泛使用矢量圖形做到這一點的。與位圖圖形相比，矢量圖形需要的內存和存儲空間小很多，因為它們是以數學公式而不是大型數據集來表示的。位圖圖形之所以更大，是因為圖像中的每個像素都需要一組單獨的數據來表示。

1 NandFLASH和NandFLASH對比

隨著存儲技術的高速發(fā)展，閃存設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格正逐步取代傳統(tǒng)記憶體。它們的技術性能差異顯著，表1是它們的技術對比。

NorFLASH是現在市場上兩種主要的非易失閃存技術。Intel于1988年首先開發(fā)出NOR Flash 技術，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 結構，強調降低每比特的成本，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 的特點是芯片內執(zhí)行（XIP ，eXecute In Place），這樣應用程序可以直接在Flash閃存內運行，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的結構能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快。應用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行代碼，穩(wěn)定性出色，傳輸速率高，在小容量時有很高的性價比，這使其很適合應于嵌入式系統(tǒng)中作為 FLASH ROM。相對于NorFLASH，NandFLASH強調更高的性能，更低的成本，更小的體積，更長的使用壽命。

然而FLASH閃存卻是保證數據正確性不太理想的設備，應用中可能出現壞塊；這就給其在嵌入式系統(tǒng)中的應用，如何更好地進行數據存儲管理提出了更高要求。恰當的接口設計和驅動開發(fā)是解決問題的關鍵。

2 FLASH接口設計

2.1 處理器內存分配情況

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

2.2 FLASH在系統(tǒng)中的架構

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日益成熟，集成電路芯片的規(guī)模越來越大。數字IC從基于時序驅動的設計方法，發(fā)展到基于IP復用的設計方法，并在SOC設計中得到了廣泛應用。在基于IP復用的SoC（System on Chip的縮寫，稱為系統(tǒng)級芯片，也有稱片上系統(tǒng)）設計中，片上總線設計是最關鍵的問題。為此，業(yè)界出現了很多片上總線標準。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)標準片上結構。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。為了擁有高速的數據交換通道，FLASH經由控制器模塊通過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標準的總線接口模塊與AHB交互工作。

2.3 NorFLASH的接口設計

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)上電或復位后獲得指令開始執(zhí)行，因此，應將其配置到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 位數據模式。

2. 4 NorFLASH在系統(tǒng)中的具體操作

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

CLE信號有效時系統(tǒng)通過I／O口向命令寄存器發(fā)送命令00H，此時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1，2，3，4四個周期，發(fā)送地址信息時，CLE為低電平，ALE為高電平。地址信息發(fā)送完畢后，不能立刻讀取數據，因為此時芯片正處于BUSY（忙）狀態(tài)，需要等待2～20 ms，之后，才能開始數據讀取。

3 FLASH驅動程序開發(fā)

3.1 Linux系統(tǒng)下的驅動程序

Linux系統(tǒng)將所有的設備都看作具體的文件，通過文件系統(tǒng)對設備進行管理。所以在Linux架構中，和設備相關的處理分成兩層：文件系統(tǒng)層和設備驅動層。設備驅動層用來屏蔽具體設備的細節(jié)，文件系統(tǒng)層向用戶提供一組統(tǒng)一的接口。這種設備管理方法可以很好的實現設備無關性，使Linux系統(tǒng)可以隨著外部設備的發(fā)展進行擴展。

Linux系統(tǒng)里將FLASH設備歸屬到MTD設備下管理，相對于常規(guī)塊設備驅動程序，MTD設備驅動程序能更好的支持和管理閃存。具體講，基于MTD的 FLAsH驅動程序，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，壞塊處理都能進行很好的管理，它在硬件設備和上層文件系統(tǒng)間提供一個抽象接口。

3.2 FLASH驅動程序開發(fā)流程

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

FLASH驅動開發(fā)流程要經過四步：模塊化設計，編譯，加載，調用驗證。如圖4所示。

3.2.1 驅動程序的模塊化設計

構成FLASH驅動程序的所有子程序，要進行模塊化設計，必須加入兩個函數：入口函數module init（）和出口函數module_exit（）。在執(zhí)行程序時module_init（）會調用int_init cfi probe_init（void），負責初始化MTD芯片，同時這個函數還調用register_mtd_chip_driver（），將cfi_chipdrv加入至 MTD驅動器列表chip_drvs_list中。初始化成功返回0，否則返回負值。實現代碼為：

另一個函數module_exit（）執(zhí)行時，會調用staticvoid_exit cfi_probe_exit（void），負責清除MTD芯片驅動工作。同時這個函數還調用unregister_mtd_chip_driver（），將cfi_chipdrv從MTD芯片驅動器列表chip_drvs_list中刪除。實現代碼為：

其中：-O指定代碼優(yōu)化的級別；-D內核模塊必須按照特殊定義的參數進行編譯，這些參數跟在選項-D后；MODULE通知頭文件要給出適當的內核模塊定義；-KERNEL-通知頭文件形成的目標代碼在內核態(tài)運行。得到的文件*.O就是一個FLASH驅動程序的目標文件，這樣FLAsH驅動程序編譯好。

3.2.3 驅動程序的加載

加載模塊要用到兩個命令：insmod（加載），rmmod（卸載）。加載時，module_init（）函數被調用，這個函數向系統(tǒng)設備表登記 FLAsH設備。卸載時，module_exit（）函數被調用，它釋放FLASH設備在系統(tǒng)設備表中占有的表項。注冊成功后就可以用mknod命令將 FLASH設備映射為一個特別文件，其他程序使用FLASH設備時，只要對此文件進行操作就行。Linux在／dev目錄中為每個設備建立了一個文件，用 ls-1命令列出函數返回值，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設備名與主、次設備號聯系起來。當對 FLASH訪問時，Linux通過請求訪問FLASH設備名得到主、次設備號；然后把此訪問發(fā)送到FLASH設備驅動，FLASH驅動再根據次設備號調用不同的函數。

3.2.4 驅動程序的調用驗證

模塊加載到內核后，然后就要調用驗證。在Linux根目錄下有dev子目錄，這里面是節(jié)點名，這些結點是通過mknod建立的，里面有MTD字符設備節(jié)點和MTD塊設備節(jié)點，通過訪問這些節(jié)點來訪問設備驅動程序。Open一般是設備節(jié)點上的第一個操作，訪問設備時其實就是系統(tǒng)調用open（）函數，然后 open（）函數打開設備準備進行I／O操作，該函數注冊進mtd_fops結構中。

上面就是NorFLASH和NandFLASH驅動程序架構，具體開發(fā)驅動程序時，就要填充架構里的程序代碼，來完成驅動程序。這個框架中有一個函數表，具體到Linux系統(tǒng)里，需要提供一個結構來向系統(tǒng)說明FLASH驅動程序所提供的一組入口點，這個結構就是fop函數表。

FLASH驅動程序運行時，向內核注冊，告訴系統(tǒng)fop函數表是跟FLASH驅動程序相關聯的。當用戶去訪問驅動程序時，系統(tǒng)就告訴文件系統(tǒng)的管理程序，調用fop函數表就可以，然后調用函數表里的函數，完成用戶要求。當從設備來收發(fā)數據時，系統(tǒng)不是調用read（），write（）這兩個函數，fop結構里沒這兩個函數，而是要用到一個函數blk_init_queue（），這個函數向上注冊了一個請求處理函數request，對FLASH設備的讀取和發(fā)送數據，都是從請求隊列發(fā)出一個請求，請求調用請求處理函數，由請求處理函數執(zhí)行具體的讀寫操作。

4 結 語

基于Samsung公司的s3c2410處理器平臺，分析和設計NorFLASH和NandFLASH的接口和驅動，詳細介紹兩種FLASH的硬件結構、性能差異、讀寫時序、以及驅動開發(fā)。NorFLASH和NandFLASH因其在存儲數據和程序以及性價比方面的優(yōu)勢，占據的存儲器市場份額越來越多，并在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應用。