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2010-04-07 09:20:02
【简介】如何编写linux下nand flash驱动
Version: V0.1
Time:10/06/2008
Author：green-waste@163.com
【编写驱动之前要了解的知识】
1.硬件方面：
【Flash的种类】
Flash主要分nand flash和nor flash
除了网上最流行的这个解释之外：
我再多说几句，nor的成本相对高，比较适合应用于存储少量的代码。
Nand flash相对成本低，因此可以用来存储大量的数据，其在嵌入式系统中的作用，相当于PC上的硬盘，用于存储大量数据。
Nor flash，有类似于dram之类的地址总线，因此可以直接和CPU相连，CPU可以直接通过地址总线对nor flash进行访问，而nand flash没有这类的总线，只有IO接口，只能通过IO接口发送命令和地址，对nand flash内部数据进行访问。相比之下，nor flash就像是并行访问，nand flash就是串行访问，所以相对来说，前者的速度更快些。
但是由于物理制程/制造方面的原因，导致nor 和nand在一些具体操作方面的特性不同：
Nand 和 Nor Flash 的区别
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|
NOR |
NAND |
（备注） |
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接口 |
总线 |
I/O接口 |
这个两者最大的区别 |
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单个cell大小 |
大 |
小 |
|
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单个Cell成本 |
高 |
低 |
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读耗时 |
快 |
慢 |
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单字节的编程时间 |
快 |
慢 |
|
|
多字节的编程时间 |
慢 |
快 |
|
|
擦除时间 |
慢 |
快 |
|
|
功耗 |
高 |
低，但是需要额外的RAM |
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|
是否可以执行代码 |
是 |
不行, 但是一些新的芯片，可以在第一页之外执行一些小的loader |
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|
位反转Bit twiddling |
几乎无限制 |
1-3次，也称作 “部分页编程限制” |
也就是数据错误了？ |
|
在芯片出厂时候是否允许坏块 |
不允许 |
允许 |
|
【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。
【Nand flash的特点】
Nand flash的操作，和其他一些常见的设备，如硬盘等，不同，其有自己特殊的方式。
其特殊就在于：
1.Nand flash的最小单位是页page，而不是其他很多设备所说的位bit。
2.写入数据之前必须先进行擦除erase操作
3.写的时候，最小单位是页page，对也进行写操作，也称作“页编程”，page programming
4.擦除的最小单位是块block
5.由于物理特性，容易出错，所以无论是读还是写，都要采取检测和校验，即EDC。
6.nand flash出厂时候，就有一定坏的块block，成为换块，并且做了一定标记。
7.nand flash中有个额外的空间，叫做spare area/oob
【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
【常见Nand Flash的大小及参数】
常见的nand flash 的大小，由最开始的小于256M,到现在的常见的1G，2G，甚至更大。
以前的nand flash的
Pagesize页大小，多为512B+16B的oob，block大小为64*（512B+16B）=32KB+1KB
现在目前市场上见到的，绝大多数，都是新的nand falsh，其Pagesize页大小多为2KB+64B的oob，block大小多为64pages页=64*（2K+64B）=128KB+4KB，一个nand flash中的芯片，一般含有4096个块，比如samsung的K9F4G08U0M，所以这个nand flash大小就是
4096 Blocks = 4096 * 64 *（2K+64B）=512MB
即：
1 Page = (2K + 64)Bytes
1 Block = (2K + 64)B x 64 Pages
= (128K + 4K) Bytes
1 Device = (2K+64)B x 64Pages x 4,096 Blocks
= 4,224 Mbits =512MB
【Nand flash工作原理】
所谓工作原理，其实也就是对应对其如何操作的。
还是以上面提到的samsung的K9F4G08U0M的nand flash为例，简单描述如下：
1.nand flash定义了一些引脚，使得你可以发送命令过去，实现对nand flash的操控：
上面这些引脚，需要解释的主要是
CLE，使能，只有使能有效，你才能进行后续的操作。只能选中了这个nand芯片，才能进行后续的读写。
ALE，在发送地址时，要锁住地址总线，才可以操作。
RE，WE，在读写之前，要对应的引脚有效，才可以进行读写的。
其他见解释皆可。
所有如上的引脚，都是驱动中，通过发送命令，具体内部控制逻辑去实现的。
而驱动开发者要关心的，是何时去发送对应的命令。具体想要实现一操作，要何时发送什么命令才能实现，要继续看下面的datasheet中的解释：
如果想要对nand flash操作，就要根据datasheet中的规范进行，比如对页的写操作/写编程要根据这个顺序去操作：
其具体的细节，包含了哪些操作，可以看这个时序图：
从上图可以看出来，要先发80h的命令，再继续后面的操作。
这里的80h命令的含义，参考这个图表：
从这个图表，可以看到，80h就是page program的第一个命令。
而时序图中的先两个col列地址，后三个row行地址，是根据下面这个图得来的：
此时才能定位到你所要操作的页，才能进行写操作。
再多说几句，上图表示了，如果想要对这个nand flash操作，读或写，需要进行3次列地址和三次的行地址，才能定位到你所要操作的地方，才能读写。同时显示了，每次每个位，对应代表的地址位。
此处的2个列地址和3个行地址，是由硬件设计决定的。
老的nand flash由于每个页只有512B，所以，最后的操作，只需要1个列地址和3个行地址就可以定位了。感兴趣的可以去网上下载samsung一些老的nand flash，可以对比着看，更明白些。
而每个操作，比如上面的写操作，都是需要一定时间的，其具体硬件操作所需的时间，见这个图：
此处可以看到，写一个页，即页编程，一般需要200us，最大需要700us，所以驱动开发者在开发的时候，要知道这个细节，要等待对应的时间，再去判断，是否写操作顺利完成了，才能接下来继续后面其他的操作的。
上述的具体代码实现，可以去看
drivers\mtd\nand\nand_base.c中的nand_command_lp()函数中的代码：
/* Command latch cycle */
//对命令锁存，然后才能发送命令
chip->cmd_ctrl(mtd, command & 0xff,
NAND_NCE | NAND_CLE | NAND_CTRL_CHANGE);
if (column != -1 || page_addr != -1) {
int ctrl = NAND_CTRL_CHANGE | NAND_NCE | NAND_ALE;
//先发送2次col地址，构成整个列地址
/* Serially input address */
if (column != -1) {
/* Adjust columns for 16 bit buswidth */
if (chip->options & NAND_BUSWIDTH_16)
column >>= 1;
chip->cmd_ctrl(mtd, column, ctrl);
ctrl &= ~NAND_CTRL_CHANGE;
chip->cmd_ctrl(mtd, column >> 8, ctrl);
}
//再发送3次row地址，构成整个行地址
if (page_addr != -1) {
chip->cmd_ctrl(mtd, page_addr, ctrl);
chip->cmd_ctrl(mtd, page_addr >> 8,
NAND_NCE | NAND_ALE);
/* One more address cycle for devices > 128MiB */
if (chip->chipsize > (128 << 20))
chip->cmd_ctrl(mtd, page_addr >> 16,
NAND_NCE | NAND_ALE);
}
}
这样就可以定位到我们要操作的位置，进行操作了。
2.软件方面：
Linux驱动原理
具体内部很多实现，已经包含在drivers\mtd\nand\nand_base.c中了
【nand flash驱动加载识别nand类型过程】
在驱动加载的时候，会去调用：
nand_get_flash_type（）
其中，就会对nand的类型和其他相关参数进行检查。
1） 选中对应设备，如果此时只有一个nand 芯片，则此步可以省略
/* Select the device */
chip->select_chip(mtd, 0);
x
2） 发读命令，去读取设备类型代码
/* Send the command for reading device ID */
chip->cmdfunc(mtd, NAND_CMD_READID, 0x00, -1);
3） 判断是哪个厂商的，哪个类型的flash
/* Read manufacturer and device IDs */
*maf_id = chip->read_byte(mtd);
dev_id = chip->read_byte(mtd);
4） 在事先已经定义好的nand flash类型中查找属于何种厂商和型号
/* Lookup the flash id */
for (i = 0; nand_flash_ids[i].name != NULL; i++) {
if (dev_id == nand_flash_ids[i].id) {
type = &nand_flash_ids[i];
break;
}
}
5） 继续判断具体nand flash的各个参数，包括
芯片信息，Pagesize页大小，oobsize即oob的大小，blocksize块大小，buswidth总线宽度是8位还是16位。
如果页大小不是之前老的nand的512B，而是新的nand的2K或更大，则后面对应的发送给nand flash命令的的时候，调用的函数就由nand_command()变成nand_command_lp()了。
后者主要比前者多一发个命令：
chip->cmd_ctrl(mtd, column >> 8, ctrl);
即，多发一个列地址命令。
因为大页面（>2KB）的寻址需要2次column，而小页面（512B）只需要1次的列地址。
具体可以参考nand flash的datasheet。
6） 接着会做一些其他初始化操作，包括最后调用nand_set_defaults()去实现的默认函数的挂载，如果你的nand flash驱动没有实现的话，就是挂载默认的了。
【模块加载原理】
这个内容太大，此处只是简单说说。
驱动加载的功能主要是probe函数实现的，主要去识别设备的类型和各个参数，并且为设备的使用进行正常的初始化。
对应卸载时候执行的remove函数，施放对应的，之前申请的一些资源。
【MTD设备】
在Linux下，将nand Flash等设备归属到MTD设备下进行统一管理。
Mtd，即memory technology deveice，即将nand看出是存储设备来管理。
之所以会这么说和这么做，是因为前面提高的nand flash和普通硬盘等设备的特殊性：
IO接口，最小单位是页，写前需擦除等，导致了，不能像平常对待硬盘等操作一样去操作nand flash，只能采取一些特殊方法，这就诞生了mtd设备的统一抽象层，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。
MTD设备和硬盘设备之前的区别
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HARD drives |
MTD device |
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连续的扇区 |
连续的可擦除块 |
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扇区都很小(512B,1024B) |
可擦除块比较大 (32KB,128KB) |
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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. |
【Linux下nand flash驱动编写步骤简介】
1. 了解硬件的nand flash的各个参数和工作原理
具体参考nand flash的datasheet，主要包括，自己nand flash的厂商，型号等。
Nand flash的页大小，oob大小，块大小，位宽8bit还是16bit。
工作原理，上面已经做了一定描述，不清楚的，可以参考datasheet，多看看，就会明白很多。
2. 按照linux下驱动编写规范编写nand flash驱动，
可以参考其他已经有的驱动，比如内核源码中已经有的
drivers\mtd\nand\s3c2410.c
就是个很好的例子。
自己以其为模板，实现自己板子的nand flash驱动。
其实主要工作就是，实现
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,
},
};
中的
XXX_nand_probe函数
XXX_nand_remove函数
XXX_nand_enable_hwecc，如果支持硬件ecc的话。
对nand flash的读写，这两个函数，实现了对nand的具体操作。
【Linux下Nand Flash驱动编写简单步骤】
软件和硬件知识，都已经了解的话，由于上层的linux的 mtd框架中，已经完全封装好了，对nand flash的write page，write oob等相关函数的实现，那么剩下的只是相对来说已经是很少量的，关于nand 驱动具体内部操作方面的工作：
1.初始化
先是在nand 芯片初始化的时候，对其
XXX_nand_init_chip（）
给对应的芯片chip赋给对应的
XXX_nand_read_buf和XXX_nand_write_buf等函数：
chip->cmd_ctrl = XXX_nand_hwcontrol;
chip->dev_ready = XXX_nand_devready;
chip->read_buf = XXX_nand_read_buf;
chip->write_buf = XXX_nand_write_buf;
以实现后续的对nand芯片的操作。
然后根据ecc类型，赋给对应的ecc的校验与纠错函数：
chip->ecc.hwctl = XXX_nand_enable_hwecc;
chip->ecc.calculate = XXX _nand_calculate_ecc;
3. 实现上面提到的对应的各个函数，关于如何实现，参考一下其他nand驱动，就会理解很多了。
4. 驱动测试，参考具体的 ldd3（Linux Device Driver version 3）的测试相关部分内容。
说得很乱，希望对大家有些帮助。
【MTD设备驱动推荐文章】
关于mtd设备驱动，感兴趣的可以去参考
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。
【引用文章】
Samsung K9F4G08U0M.pdf （Samsung Nand Flash 的Datasheet ，nand型号是K9F4G08U0M）
