如何編寫linux下nandflash驅動-4

2. 軟體方面

如果想要在Linux下編寫Nand Flash驅動，那麼就先要搞清楚Linux下，關於此部分的整個框架。弄明白，系統是如何管理你的nand flash的，以及，系統都幫你做了那些準備工作，而剩下的，驅動底層實現部分，你要去實現哪些功能，才能使得硬體正常工作起來。

【記憶體技術裝置，MTD（Memory Technology Device）】

MTD，是Linux的儲存裝置中的一個子系統。其設計此係統的目的是，對於記憶體類的裝置，提供一個抽象層，一個介面，使得對於硬體驅動設計者來說，可以儘量少的去關心儲存格式，比如FTL，FFS2等，而只需要去提供最簡單的底層硬體裝置的讀/寫/擦除函式就可以了。而對於資料對於上層使用者來說是如何表示的，硬體驅動設計者可以不關心，而MTD儲存裝置子系統都幫你做好了。

對於MTD字系統的好處，簡單解釋就是，他幫助你實現了，很多對於以前或者其他系統來說，本來也是你驅動設計者要去實現的很多功能。換句話說，有了MTD，使得你設計Nand Flash的驅動，所要做的事情，要少很多很多，因為大部分工作，都由MTD幫你做好了。

當然，這個好處的一個“副作用”就是，使得我們不瞭解的人去理解整個Linux驅動架構，以及MTD，變得更加複雜。但是，總的說，覺得是利遠遠大於弊，否則，就不僅需要你理解，而且還是做更多的工作，實現更多的功能了。

此外，還有一個重要的原因，那就是，前面提到的nand flash和普通硬碟等裝置的特殊性：

有限的通過出複用來實現輸入輸出命令和地址/資料等的IO介面，最小單位是頁而不是常見的bit，寫前需擦除等，導致了這類裝置，不能像平常對待硬碟等操作一樣去操作，只能採取一些特殊方法，這就誕生了MTD裝置的統一抽象層。

MTD，將nand flash，nor flash和其他型別的flash等裝置，統一抽象成MTD裝置來管理，根據這些裝置的特點，上層實現了常見的操作函式封裝，底層具體的內部實現，就需要驅動設計者自己來實現了。具體的內部硬體裝置的讀/寫/擦除函式，那就是你必須實現的了。

HARD drives	MTD device
連續的扇區	連續的可擦除塊
扇區都很小(512B,1024B)	可擦除塊比較大 (32KB,128KB)
主要通過兩個操作對其維護操作：讀扇區，寫扇區	主要通過三個操作對其維護操作：從擦除塊中讀，寫入擦除塊，擦寫可擦除塊
壞快被重新對映，並且被硬體隱藏起來了（至少是在如今常見的LBA硬碟裝置中是如此）	壞的可擦除塊沒有被隱藏，軟體中要處理對應的壞塊問題。
HDD扇區沒有擦寫壽命超出的問題。	可擦除塊是有擦除次數限制的，大概是10⁴-10⁵次.

表4.MTD裝置和硬碟裝置之間的區別

多說一句，關於MTD更多的內容，感興趣的，去附錄中的MTD的主頁去看。

關於mtd裝置驅動，感興趣的可以去參考

MTD原始裝置與FLASH硬體驅動的對話

MTD原始裝置與FLASH硬體驅動的對話–續

那裡，算是比較詳細地介紹了整個流程，方便大家理解整個mtd框架和nand flash驅動。

【Nand flash驅動工作原理】

在介紹具體如何寫Nand Flash驅動之前，我們先要了解，大概的，整個系統，和Nand Flash相關的部分的驅動工作流程，這樣，對於後面的驅動實現，才能更加清楚機制，才更容易實現，否則就是，即使寫完了程式碼，也還是沒搞懂系統是如何工作的了。

讓我們以最常見的，Linux核心中已經有的三星的Nand Flash驅動，來解釋Nand Flash驅動具體流程和原理。

此處是參考2.6.29版本的Linux原始碼中的driversmtd
ands3c2410.c，以2410為例。

1. 在nand flash驅動載入後，第一步，就是去呼叫對應的init函式，s3c2410_nand_init,去將在nand flash驅動註冊到Linux驅動框架中。

2. 驅動本身，真正開始，是從probe函式，s3c2410_nand_probe->s3c24xx_nand_probe,

在probe過程中，去用clk_enable開啟nand flash控制器的clock時鐘，用request_mem_region去申請驅動所需要的一些記憶體等相關資源。然後，在s3c2410_nand_inithw中，去初始化硬體相關的部分，主要是關於時脈頻率的計算，以及啟用nand flash控制器，使得硬體初始化好了，後面才能正常工作。

3. 需要多解釋一下的，是這部分程式碼：

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

pr_debug(“initialising set %d (%p, info %p)
“, setno, nmtd, info);

/* 呼叫init chip去掛載你的nand 驅動的底層函式到nand flash的結構體中，以及設定對應的ecc mode，掛載ecc相關的函式 */

s3c2410_nand_init_chip(info, nmtd, sets);

/* scan_ident，掃描nand 裝置，設定nand flash的預設函式，獲得物理裝置的具體型號以及對應各個特性引數，這部分算出來的一些值，對於nand flash來說，是最主要的引數，比如nand falsh的晶片的大小，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，是掃描的後一階段，此時，經過前面的scan_ident，我們已經獲得對應nand flash的硬體的各個引數，然後就可以在scan tail中，根據這些引數，去設定其他一些重要引數，尤其是ecc的layout，即ecc是如何在oob中擺放的，最後，再去進行一些初始化操作，主要是根據你的驅動，如果沒有實現一些函式的話，那麼就用系統預設的。 */

nand_scan_tail(&nmtd->mtd);

/* add partion，根據你的nand flash的分割槽設定，去分割槽 */

s3c2410_nand_add_partition(info, nmtd, sets);

}

if (sets != NULL)

sets++;

}

4. 等所有的引數都計算好了，函式都掛載完畢，系統就可以正常工作了。

上層訪問你的nand falsh中的資料的時候，通過MTD層，一層層呼叫，最後呼叫到你所實現的那些底層訪問硬體資料/快取的函式中。

【Linux下nand flash驅動編寫步驟簡介】

關於上面提到的，在nand_scan_tail的時候，系統會根據你的驅動，如果沒有實現一些函式的話，那麼就用系統預設的。如果實現了自己的函式，就用你的。

估計很多人就會問了，那麼到底我要實現哪些函式呢，而又有哪些是可以不實現，用系統預設的就可以了呢。

此問題的，就是我們下面要介紹的，也就是，你要實現的，你的驅動最少要做哪些工作，才能使整個nand flash工作起來。

1. 對於驅動框架部分

其實，要了解，關於驅動框架部分，你所要做的事情的話，只要看看三星的整個nand flash驅動中的這個結構體，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,

},

};

對於上面這個結構體，沒多少要解釋的。從名字，就能看出來：

（1）probe就是系統“探測”，就是前面解釋的整個過程，這個過程中的多數步驟，都是和你自己的nand flash相關的，尤其是那些硬體初始化部分，是你必須要自己實現的。

（2）remove，就是和probe對應的，“反初始化”相關的動作。主要是釋放系統相關資源和關閉硬體的時鐘等常見操作了。

(3)suspend和resume，對於很多沒用到電源管理的情況下，至少對於我們剛開始寫基本的驅動的時候，可以不用關心，放個空函式即可。

2. 對於nand flash底層操作實現部分

而對於底層硬體操作的有些函式，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，一般都有對應的資料暫存器，用於給你往裡面寫資料，表示將要讀取或寫入多少個位元組(byte,u8)/字(word,u32) ，所以，此處，你要給出地址，以便後面的操作所使用 */

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;

/* 此處，多數情況下，你所用的Nand Flash的控制器，都是支援硬體ECC的，所以，此處設定硬體ECC(HW_ECC) ，也是充分利用硬體的特性，而如果此處不用硬體去做的ECC的話，那麼下面也會去設定成NAND_ECC_SOFT，系統會用預設的軟體去做ECC校驗，相比之下，比硬體ECC的效率就低很多，而你的nand flash的讀寫，也會相應地要慢不少*/

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;

}

而我們要實現的底層函式，也就是上面藍色標出來的一些函式而已：

（1）s3c2410_nand_write_buf 和 s3c2410_nand_read_buf：這是兩個最基本的操作函式，其功能，就是往你的nand flash的控制器中的FIFO讀寫資料。一般情況下，是MTD上層的操作，比如要讀取一頁的資料，那麼在傳送完相關的讀命令和等待時間之後，就會呼叫到你底層的read_buf，去nand Flash的FIFO中，一點點把我們要的資料，讀取出來，放到我們制定的記憶體的快取中去。寫操作也是類似，將我們記憶體中的資料，寫到Nand Flash的FIFO中去。具體的資料流向，參考上面的圖4。

（2）s3c2410_nand_select_chip ：實現Nand Flash的片選。

（3）s3c2410_nand_hwcontrol：給底層傳送命令或地址，或者設定具體操作的模式，都是通過此函式。

（4）s3c2410_nand_devready：Nand Flash的一些操作，比如讀一頁資料，寫入（程式設計）一頁資料，擦除一個塊，都是需要一定時間的，在命傳送完成後，就是硬體開始忙著工作的時候了，而硬體什麼時候完成這些操作，什麼時候不忙了，變就緒了，就是通過這個函式去檢查狀態的。一般具體實現都是去讀硬體的一個狀態暫存器，其中某一位是否是1，對應著是出於“就緒/不忙”還是“忙”的狀態。這個暫存器，也就是我們前面分析時序圖中的R/B#。

（5）s3c2410_nand_enable_hwecc：在硬體支援的前提下，前面設定了硬體ECC的話，要實現這個函式，用於每次在讀寫操作前，通過設定對應的硬體暫存器的某些位，使得啟用硬體ECC，這樣在讀寫操作完成後，就可以去讀取硬體校驗產生出來的ECC數值了。

（6）s3c2410_nand_calculate_ecc：如果是上面提到的硬體ECC的話，就不用我們用軟體去實現校驗演算法了，而是直接去讀取硬體產生的ECC數值就可以了。

（7）s3c2410_nand_correct_data：當實際操作過程中，讀取出來的資料所對應的硬體或軟體計算出來的ECC，和從oob中讀出來的ECC不一樣的時候，就是說明資料有誤了，就需要呼叫此函式去糾正錯誤。對於現在SLC常見的ECC演算法來說，可以發現2位，糾正1位。如果錯誤大於1位，那麼就無法糾正回來了。一般情況下，出錯超過1位的，好像機率不大。至少我看到的不是很大。更復雜的情況和更加註重資料安全的情況下，一般是需要另外實現更高效和檢錯和糾錯能力更強的ECC演算法的。

當然，除了這些你必須實現的函式之外，在你更加熟悉整個框架之後，你可以根據你自己的nand flash的特點，去實現其他一些原先用系統預設但是效率不高的函式，而用自己的更高效率的函式替代他們，以提升你的nand flash的整體效能和效率。

【引用文章】

1.Brief Intro of Nand Flash

http://hi.baidu.com/serial_story/blog/item/3f1635d1dc041cd7562c84a1.html

2. Samsung的型號為K9G8G08U0M的Nand Flash的資料手冊

要下載資料手冊，可以去這裡介紹的網站下載：

samsung 4K pagesize SLC Nand Flash K9F8G08U0M datasheet + 推薦一個datasheet搜尋的網站

http://hi.baidu.com/serial_story/blog/item/7f25a03def1de309bba167c8.html

3.Nand Falsh Read Operation

http://hi.baidu.com/serial_story/blog/item/f06db3546eced11a3b29356c.html

4. Memory Technology Device (MTD) Subsystem for Linux.

http://www.linux-mtd.infradead.org/index.html

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