如何编写Linux下Nand Flash驱动

Posted 2023-04-17

　　【Nand Flash的种类】
　　具体再分，又可以分为
　　1)Bare NAND chips：裸片，单独的nand 芯片
　　2)SmartMediaCards： =裸片+一层薄塑料，常用于数码相机和MP3播放器中。之所以称smart，是由于其软件smart，而不是硬件本身有啥smart之处。^_^
　　3)DiskOnChip：裸片+glue logic，glue logic=硬件ECC产生器+用于静态的nand 芯片控制的寄存器+直接访问一小片地址窗口，那块地址中包含了引导代码的stub桩，其可以从nand flash中拷贝真正的引导代码。
　　
　　【spare area/oob】
　　Nand由于最初硬件设计时候考虑到，额外的错误校验等需要空间，专门对应每个页，额外设计了叫做spare area空区域，在其他地方，比如jffs2文件系统中，也叫做oob（out of band）数据。
　　其具体用途，总结起来有：
　　1. 标记是否是坏快
　　2. 存储ECC数据
　　3. 存储一些和文件系统相关的数据，如jffs2就会用到这些空间存储一些特定信息，yaffs2文件系统，会在oob中，存放很多和自己文件系统相关的信息。
　　
　　2. 软件方面
　　如果想要在Linux下编写Nand Flash驱动，那么就先要搞清楚Linux下，关于此部分的整个框架。弄明白，系统是如何管理你的nand flash的，以及，系统都帮你做了那些准备工作，而剩下的，驱动底层实现部分，你要去实现哪些功能，才能使得硬件正常工作起来。
　　
　　【内存技术设备，MTD（Memory Technology Device）】
　　MTD，是Linux的存储设备中的一个子系统。其设计此系统的目的是，对于内存类的设备，提供一个抽象层，一个接口，使得对于硬件驱动设计者来说，可以尽量少的去关心存储格式，比如FTL，FFS2等，而只需要去提供最简单的底层硬件设备的读/写/擦除函数就可以了。而对于数据对于上层使用者来说是如何表示的，硬件驱动设计者可以不关心，而MTD存储设备子系统都帮你做好了。
　　对于MTD字系统的好处，简单解释就是，他帮助你实现了，很多对于以前或者其他系统来说，本来也是你驱动设计者要去实现的很多功能。换句话说，有了MTD，使得你设计Nand Flash的驱动，所要做的事情，要少很多很多，因为大部分工作，都由MTD帮你做好了。
　　当然，这个好处的一个“副作用”就是，使得我们不了解的人去理解整个Linux驱动架构，以及MTD，变得更加复杂。但是，总的说，觉得是利远远大于弊，否则，就不仅需要你理解，而且还是做更多的工作，实现更多的功能了。
　　此外，还有一个重要的原因，那就是，前面提到的nand flash和普通硬盘等设备的特殊性：
　　有限的通过出复用来实现输入输出命令和地址/数据等的IO接口，最小单位是页而不是常见的bit，写前需擦除等，导致了这类设备，不能像平常对待硬盘等操作一样去操作，只能采取一些特殊方法，这就诞生了MTD设备的统一抽象层。
　　MTD，将nand flash，nor flash和其他类型的flash等设备，统一抽象成MTD设备来管理，根据这些设备的特点，上层实现了常见的操作函数封装，底层具体的内部实现，就需要驱动设计者自己来实现了。具体的内部硬件设备的读/写/擦除函数，那就是你必须实现的了。

　　HARD drives
　　
　　MTD device
　　

　　连续的扇区
　　
　　连续的可擦除块
　　

　　扇区都很小(512B,1024B)
　　
　　可擦除块比较大 (32KB,128KB)
　　

　　主要通过两个操作对其维护操作：读扇区，写扇区
　　
　　主要通过三个操作对其维护操作：从擦除块中读，写入擦除块，擦写可擦除块
　　

　　坏快被重新映射，并且被硬件隐藏起来了（至少是在如今常见的LBA硬盘设备中是如此）
　　
　　坏的可擦除块没有被隐藏，软件中要处理对应的坏块问题。
　　

　　HDD扇区没有擦写寿命超出的问题。
　　
　　可擦除块是有擦除次数限制的，大概是104-105次.
　　

　　表4.MTD设备和硬盘设备之间的区别
　　
　　多说一句，关于MTD更多的内容，感兴趣的，去附录中的MTD的主页去看。
　　关于mtd设备驱动，感兴趣的可以去参考
　　MTD原始设备与FLASH硬件驱动的对话
　　MTD原始设备与FLASH硬件驱动的对话-续
　　那里，算是比较详细地介绍了整个流程，方便大家理解整个mtd框架和nand flash驱动。
　　
　　【Nand flash驱动工作原理】
　　在介绍具体如何写Nand Flash驱动之前，我们先要了解，大概的，整个系统，和Nand Flash相关的部分的驱动工作流程，这样，对于后面的驱动实现，才能更加清楚机制，才更容易实现，否则就是，即使写完了代码，也还是没搞懂系统是如何工作的了。
　　让我们以最常见的，Linux内核中已经有的三星的Nand Flash驱动，来解释Nand Flash驱动具体流程和原理。
　　
　　此处是参考2.6.29版本的Linux源码中的\\drivers\\mtd\\nand\\s3c2410.c，以2410为例。
　　1. 在nand flash驱动加载后，第一步，就是去调用对应的init函数，s3c2410_nand_init,去将在nand flash驱动注册到Linux驱动框架中。
　　2. 驱动本身，真正开始，是从probe函数，s3c2410_nand_probe->s3c24xx_nand_probe,
　　在probe过程中，去用clk_enable打开nand flash控制器的clock时钟，用request_mem_region去申请驱动所需要的一些内存等相关资源。然后，在s3c2410_nand_inithw中，去初始化硬件相关的部分，主要是关于时钟频率的计算，以及启用nand flash控制器，使得硬件初始化好了，后面才能正常工作。
　　3. 需要多解释一下的，是这部分代码：
　　for (setno = 0; setno < nr_sets; setno++, nmtd++)
　　pr_debug("initialising set %d (%p, info %p)\\n", setno, nmtd, info);
　　/* 调用init chip去挂载你的nand 驱动的底层函数到nand flash的结构体中，以及设置对应的ecc mode，挂载ecc相关的函数 */
　　s3c2410_nand_init_chip(info, nmtd, sets);
　　/* scan_ident，扫描nand 设备，设置nand flash的默认函数，获得物理设备的具体型号以及对应各个特性参数，这部分算出来的一些值，对于nand flash来说，是最主要的参数，比如nand falsh的芯片的大小，块大小，页大小等。 */
　　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，从名字就可以看出来，是扫描的后一阶段，此时，经过前面的scan_ident，我们已经获得对应nand flash的硬件的各个参数，然后就可以在scan tail中，根据这些参数，去设置其他一些重要参数，尤其是ecc的layout，即ecc是如何在oob中摆放的，最后，再去进行一些初始化操作，主要是根据你的驱动，如果没有实现一些函数的话，那么就用系统默认的。 */
　　nand_scan_tail(&nmtd->mtd);
　　/* add partion，根据你的nand flash的分区设置，去分区 */
　　s3c2410_nand_add_partition(info, nmtd, sets);
　　
　　if (sets != NULL)
　　sets++;
　　
　　4. 等所有的参数都计算好了，函数都挂载完毕，系统就可以正常工作了。
　　上层访问你的nand falsh中的数据的时候，通过MTD层，一层层调用，最后调用到你所实现的那些底层访问硬件数据/缓存的函数中。
　　
　　【Linux下nand flash驱动编写步骤简介】
　　关于上面提到的，在nand_scan_tail的时候，系统会根据你的驱动，如果没有实现一些函数的话，那么就用系统默认的。如果实现了自己的函数，就用你的。
　　估计很多人就会问了，那么到底我要实现哪些函数呢，而又有哪些是可以不实现，用系统默认的就可以了呢。
　　此问题的，就是我们下面要介绍的，也就是，你要实现的，你的驱动最少要做哪些工作，才能使整个nand flash工作起来。
　　
　　1. 对于驱动框架部分
　　其实，要了解，关于驱动框架部分，你所要做的事情的话，只要看看三星的整个nand flash驱动中的这个结构体，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,
　　,
　　;
　　
　　对于上面这个结构体，没多少要解释的。从名字，就能看出来：
　　（1）probe就是系统“探测”，就是前面解释的整个过程，这个过程中的多数步骤，都是和你自己的nand flash相关的，尤其是那些硬件初始化部分，是你必须要自己实现的。
　　（2）remove，就是和probe对应的，“反初始化”相关的动作。主要是释放系统相关资源和关闭硬件的时钟等常见操作了。
　　(3)suspend和resume，对于很多没用到电源管理的情况下，至少对于我们刚开始写基本的驱动的时候，可以不用关心，放个空函数即可。
　　
　　2. 对于nand flash底层操作实现部分
　　而对于底层硬件操作的有些函数，总体上说，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，一般都有对应的数据寄存器，用于给你往里面写数据，表示将要读取或写入多少个字节(byte,u8)/字(word,u32) ，所以，此处，你要给出地址，以便后面的操作所使用 */
　　chip->IO_ADDR_W = regs + S3C2410_NFDATA;
　　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;
　　/* 此处，多数情况下，你所用的Nand Flash的控制器，都是支持硬件ECC的，所以，此处设置硬件ECC(HW_ECC) ，也是充分利用硬件的特性，而如果此处不用硬件去做的ECC的话，那么下面也会去设置成NAND_ECC_SOFT，系统会用默认的软件去做ECC校验，相比之下，比硬件ECC的效率就低很多，而你的nand flash的读写，也会相应地要慢不少*/
　　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;
　　
　　
　　而我们要实现的底层函数，也就是上面蓝色标出来的一些函数而已：
　　（1）s3c2410_nand_write_buf 和 s3c2410_nand_read_buf：这是两个最基本的操作函数，其功能，就是往你的nand flash的控制器中的FIFO读写数据。一般情况下，是MTD上层的操作，比如要读取一页的数据，那么在发送完相关的读命令和等待时间之后，就会调用到你底层的read_buf，去nand Flash的FIFO中，一点点把我们要的数据，读取出来，放到我们制定的内存的缓存中去。写操作也是类似，将我们内存中的数据，写到Nand Flash的FIFO中去。具体的数据流向，参考上面的图4。
　　（2）s3c2410_nand_select_chip ： 实现Nand Flash的片选。
　　（3）s3c2410_nand_hwcontrol：给底层发送命令或地址，或者设置具体操作的模式，都是通过此函数。
　　（4）s3c2410_nand_devready：Nand Flash的一些操作，比如读一页数据，写入（编程）一页数据，擦除一个块，都是需要一定时间的，在命发送完成后，就是硬件开始忙着工作的时候了，而硬件什么时候完成这些操作，什么时候不忙了，变就绪了，就是通过这个函数去检查状态的。一般具体实现都是去读硬件的一个状态寄存器，其中某一位是否是1，对应着是出于“就绪/不忙”还是“忙”的状态。这个寄存器，也就是我们前面分析时序图中的R/B#。
　　（5）s3c2410_nand_enable_hwecc： 在硬件支持的前提下，前面设置了硬件ECC的话，要实现这个函数，用于每次在读写操作前，通过设置对应的硬件寄存器的某些位，使得启用硬件ECC，这样在读写操作完成后，就可以去读取硬件校验产生出来的ECC数值了。
　　（6）s3c2410_nand_calculate_ecc：如果是上面提到的硬件ECC的话，就不用我们用软件去实现校验算法了，而是直接去读取硬件产生的ECC数值就可以了。
　　（7）s3c2410_nand_correct_data：当实际操作过程中，读取出来的数据所对应的硬件或软件计算出来的ECC，和从oob中读出来的ECC不一样的时候，就是说明数据有误了，就需要调用此函数去纠正错误。对于现在SLC常见的ECC算法来说，可以发现2位，纠正1位。如果错误大于1位，那么就无法纠正回来了。一般情况下，出错超过1位的，好像几率不大。至少我看到的不是很大。更复杂的情况和更加注重数据安全的情况下，一般是需要另外实现更高效和检错和纠错能力更强的ECC算法的。
　　
　　当然，除了这些你必须实现的函数之外，在你更加熟悉整个框架之后，你可以根据你自己的nand flash的特点，去实现其他一些原先用系统默认但是效率不高的函数，而用自己的更高效率的函数替代他们，以提升你的nand flash的整体性能和效率。 参考技术A http://oss.org.cn/kernel-book/ldd3/index.html

Linux 下 Nand Flash 驱动主要数据结构说明

s3c2410 专有数据结构

1. s3c2410_nand_set

struct s3c2410_nand_set

int                    nr_chips;     /* 芯片的数目 */

int                    nr_partitions; /* 分区的数目 */

char                   *name;          /* 集合名称   */

int                   nr_map;       /* 可选, 底层逻辑到物理的芯片数目 */ struct mtd_partition                      partitions;   /* 分区列表   */

;

 

1. s3c2410_platform_and

struct s3c2410_platform_nand

/* timing information for controller, all times in nanoseconds */

 

int     tacls; /* 从 CLE/ALE 有效到 nWE/nOE 的时间 */ int   twrph0; /* nWE/nOE 的有效时间 */

int     twrph1; /* 从释放 CLE/ALE 到 nWE/nOE 不活动的时间 */

 

int     nr_sets; /* 集合数目 */

struct s3c2410_nand_set sets; /* 集合列表 */

 

/* 根据芯片编号选择有效集合 */

void (*select_chip)(struct s3c2410_nand_set , int chip);

;

 

1. s3c2410_nand_mtd               在 drivers/mtd/nand/s3c2410.c 中, struct s3c2410_nand_mtd

struct mtd_info               mtd;    /* MTD 信息 */

struct nand_chip              chip;   /* nand flash 芯片信息 */ struct s3c2410_nand_set   set;    /* nand flash 集合    */ struct s3c2410_nand_info     *info;  /* nand flash 信息    */  int    scan_res;

;

 

1. s3c2410_nand_info

struct s3c2410_nand_info

/* mtd info */

struct nand_hw_control        controller; /* 硬件控制器 */ struct s3c2410_nand_mtd                              *mtds;     /* MTD 设备表 */ struct s3c2410_platform_nand         platform;  /* Nand 设备的平台 */

 

	/* device info */
	struct device	*device;	/* 设备指针 */
	struct resource	*area;	/* 资源指针 */
	struct clk	*clk;	/* Nand Flash 时钟 */
	void  iomem int	*regs; mtd_count;	/* 寄存器基地址(map 后的逻辑地址) */ /* MTD 的数目 */
	unsigned char	is_s3c2440;
;

 

1. struct                                       clk 在 arch/arm/mach­s3c2410/clock.h 中 struct clk

struct list_head  list;   /* clock 列表结点 */ struct module    *owner;    /* 所属模块     */ struct clk    *parent;   /* 父结点        */

const char          *name;     /* 名称          */

int                  id;       /* 编号           */

atomic_t             used;     /* 使用者计数    */ unsigned long   rate;    /* 时钟速率     */ unsigned long         ctrlbit;  /* 控制位        */

int                (*enable)(struct clk *, int enable); /* Clock 打开方法 */

;