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我的朋友

分类: LINUX

2010-08-31 21:42:48

但是由于物理制程/制造方面的原因,导致nor nand在一些具体操作方面的特性不同:

 

NOR

NAND

(备注)

接口

总线

I/O接口

这个两者最大的区别

单个cell大小

 

单个Cell成本

 

读耗时

 

单字节的编程时间

 

多字节的编程时间

 

擦除时间

 

功耗

低,但是需要额外的RAM

 

是否可以执行代码

不行, 但是一些新的芯片,可以在第一页之外执行一些小的loader1

即是否允许,芯片内执行(XIP, eXecute In Place) (2)

位反转(Bit twiddling/bit flip)

几乎无限制

1-4次,也称作 “部分页编程限制”

也就是数据错误,0->11->0

在芯片出厂时候是否允许坏块

不允许

允许

 

3 Nand Flash Nor Flash的区别

1.       理论上是可以的,而且也是有人验证过可以的,只不过由于nand flash的物理特性,不能完全保证所读取的数据/代码是正确的,实际上,很少这么用而已。因为,如果真是要用到nand flashXIP,那么除了读出速度慢之外,还要保证有数据的校验,以保证读出来的,将要执行的代码/数据,是正确的。否则,系统很容易就跑飞了。。。

2.       芯片内执行(XIP, eXecute In Place):

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

 

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 logicglue 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oobout 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,MTDMemory 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FTLFFS2等,而只需要去提供最简单的底层硬件设备的读//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 flashnor 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//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.

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-

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.       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,

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ecclayout,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。

 

Linuxnand 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:

1probe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。

2remove,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)suspendresume,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)/(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:

1s3c2410_nand_write_buf 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 FlashFIFO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 FlashFIFO中去。具体的数据流向,参考上面的图4

2s3c2410_nand_select_chip 实现Nand Flash的片选。

3s3c2410_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。

4s3c2410_nand_devreadyNand 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#

5s3c2410_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。

6s3c2410_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。

7s3c2410_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。

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