S3C2440上Flash驱动实例开发讲解(一)

一、Linux中Flash硬件知识

1. Flash用途和分类：
   
      在嵌入式系统开发设计中，存储模块是不可缺少的重要部分，而Flash是目前市场上主要的非易失闪存技术，他主要分为：Nor Flash和Nand Flash两种。那么他们有什么区别呢？简单的讲：Nor Flash容量小，价格高，写速度慢但随机读速度快，所以较适合存储少量的程序代码，比如u-boot启动代码；而Nand Flash则容量大，价格低，写速度快但读速度慢，所以他相当于PC上的硬盘用于存储大量的数据。Nor Flash与Nand Flash更详细区别如下表：
   
   
2. Flash在硬件设计中的应用：
   
     以Mini2440开发板为例：该开发板上带有一块2M的Nor Flash和一块64M的Nand Flash。下面先看看他们是怎样被应用于嵌入式Linux的。Nor Flash和Nand Flash电路原理图分别如下：(由mini2440提供)
   
   
   从原理图上可以看到，Nor Flash内部提供的是有类似于DRam之类的地址总线，可以直接与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，其内部只提供IO接口，因此只能通过IO接口发送命令和地址，对Nand Flash内部数据进行访问。这可以说是二者最大的区别了，也说明了二者读写速度不同的所在。因此，各有各的优点，Nor Flash访问快，Nand Flash简化了电路。注意：电路原理图中字母上面有一横杠的表示该引脚是低电平有效，没有的是默认的高电平。

二、Linux中Flash软件知识

1. Linux MTD子系统：
   
     在Linux系统中，提供了MTD(内存技术设备)子系统来建立Flash针对Linux的统一、抽象的接口。MTD子系统将上层文件系统与底层Flash硬件进行了隔离，使Flash驱动开发者无需再关心Flash作为字符设备或者块设备与Linux内核的接口。MTD将Linux系统Flash设备驱动及接口分成了4个层次，如图所示，从上往下分别为：设备节点、MTD设备层、MTD原始设备层和Flash硬件驱动层。
   
   
   设备节点：用户在/dev目录下使用mknod命令建立MTD字符设备节点(主设备号为90)，或者MTD块设备节点(主设备号为31)，使用该设备节点即可访问MTD设备。
   
   MTD设备层：基于MTD原始设备层，系统将MTD设备可以定义为MTD字符设备(在/mtd/mtdchar.c中实现)和MTD块设备(在/mtd/mtdblock.c中实现)。
   
   MTD原始设备层：MTD原始设备层由两个部分组成，分别是MTD原始设备的通用代码和各个特定的Flash的数据，如分区信息。
   
   Flash硬件驱动层：Flash硬件驱动层负责对Flash硬件的读、写和擦除操作。MTD设备的Nor Flash芯片驱动一般位于drivers/mtd/chips/子目录下，Nand Flash芯片的驱动则位于drivers/mtd/nand/子目录下。
   
   综合上述我们可知，MTD子系统已经对Flash设备对于上层的应用进行了封装，我们在写硬件驱动的时候直接调用MTD原始设备层提供的接口函数做相应的操作即可。那么，对于MTD设备层，MTD原始设备层提供了哪些接口呢？对于Flash硬件驱动层，MTD原始设备层又提供了哪些接口呢？下面开始了解。
   
   
2. MTD子系统接口：
   
     在MTD子系统中，MTD设备层、MTD原始设备层和Flash硬件驱动层之间的接口关系如下图所示：
   
   从上图可知，MTD设备层是通过原始设备层提供的接口来注册MTD字符设备或MTD块设备的，同样，驱动工程师要编写的Flash硬件驱动也是通过原始设备层提供的接口来添加MTD设备和MTD分区的，分别如下：

   //使用这两个接口函数进行添加和删除MTD设备
int add_mtd_device(struct mtd_info *mtd);
int del_mtd_device(struct mtd_info *mtd)

    

   //使用这两个接口函数进行添加和删除MTD分区
int add_mtd_partitions(struct mtd_info *master, struct mtd_partition *parts, int nbparts);
int del_mtd_partitions(struct mtd_info *master)

   
   
   在MTD中，一个MTD原始设备用mtd_info结构体来表示，定义在include/linux/mtd/mtd.h中；一个MTD原始设备分区用mtd_part结构体来表示，定义在drivers/mtd/mtdpart.c中。其中每个分区也被认为是一个mtd_info，比如：有一个MTD原始设备，上面有3个分区，那么将共有3个mtd_info，而这3个mtd_info的指针将被存放在mtd_table的数组中进行管理，定义在drivers/mtd/mtdcore.h中，如下所示：

   extern struct mtd_info *mtd_table[MAX_MTD_DEVICES];//最多有MAX_MTD_DEVICES(默认定义为32)个设备

   
   
   
3. MTD子系统中重要的一些数据结构：
   

   struct mtd_info
{
    //硬件设备的类型，如：MTD_RAM,MTD_ROM,MTD_NORFlash,MTD_NANDFlash,MTD_PEROM等
    u_char type;
    
    //设备支持的选项，如：MTD_ERASEABLE(可擦除),MTD_WRITEB_WRITEALBE(可编程),
    //MTD_XIP(可片内执行),MTD_OOB(NAND额外数据),MTD_ECC(支持自动ECC)等
    uint32_t flags;
    
    uint64_t size;//MTD设备的大小
    uint32_t erasesize;//主要的擦除块大小(注意：同一个MTD设备可能有几种不同的erasesize)
    uint32_t writesize;//编程块大小
    uint32_t oobsize;//OOB数据大小
    uint32_t oobavail;

    unsigned int erasesize_shift;
    unsigned int writesize_shift;
    unsigned int erasesize_mask;
    unsigned int writesize_mask;

    const char *name;
    int index;

    struct nand_ecclayout *ecclayout;//ECC布局结构

    int numeraseregions;//擦除区域的个数，通常为1
    struct mtd_erase_region_info *eraseregions;//擦除区域的指针

    //此方法将一个erase_info结构放入擦除队列中
    int (*erase) (struct mtd_info *mtd, struct erase_info *instr);

    //point和unpoint方法分别用于允许和禁止芯片内执行(eXecute-In-Place，简称XIP)，如果unpoint为NULL，则表示禁止XIP
    int (*point) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, void **virt, resource_size_t *phys);
    void (*unpoint) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len);

    //如果不为NULL，则表示允许无MMU单元的虚拟地址映射
    unsigned long (*get_unmapped_area) (struct mtd_info *mtd,unsigned long len,unsigned long offset,unsigned long flags);
    struct backing_dev_info *backing_dev_info;

    //read和write分别用于MTD设备的读和写
    int (*read) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf);
    int (*write) (struct mtd_info *mtd, loff_t to, size_t len, size_t *retlen, const u_char *buf);
    int (*panic_write) (struct mtd_info *mtd, loff_t to, size_t len, size_t *retlen, const u_char *buf);

    //read_oob和write_oob分别用于读写MTD设备的OOB数据
    int (*read_oob) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, struct mtd_oob_ops *ops);
    int (*write_oob) (struct mtd_info *mtd, loff_t to, struct mtd_oob_ops *ops);

    //一下几个方法是用于实现访问一些受保护的寄存器(一般这只是出现在某些特定的Flash设备上)
    int (*get_fact_prot_info) (struct mtd_info *mtd, struct otp_info *buf, size_t len);
    int (*read_fact_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf);
    int (*get_user_prot_info) (struct mtd_info *mtd, struct otp_info *buf, size_t len);
    int (*read_user_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf);
    int (*write_user_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf);
    int (*lock_user_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len);

    //基于kvec的形式写
    int (*writev) (struct mtd_info *mtd, const struct kvec *vecs, unsigned long count, loff_t to, size_t *retlen);

    //实现MTD设备的同步操作
    void (*sync) (struct mtd_info *mtd);

    //实现特定芯片的加锁和解锁
    int (*lock) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs, uint64_t len);
    int (*unlock) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs, uint64_t len);

    //实现支持电源管理
    int (*suspend) (struct mtd_info *mtd);
    void (*resume) (struct mtd_info *mtd);

    //坏块管理功能
    int (*block_isbad) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs);
    int (*block_markbad) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs);

    //默认重启的MTD设备工作模式
    struct notifier_block reboot_notifier;

    //用于记录ECC状态的信息
    struct mtd_ecc_stats ecc_stats;
    
    /* Subpage shift (NAND) */
    int subpage_sft;

    //私有数据，注意是void类型的指针
    void *priv;

    struct module *owner;
    struct device dev;
    int usecount;//记录用户的个数

    //这两个方法用于设备驱动的回调，可以根据具体需要来决定是否实现他们
    int (*get_device) (struct mtd_info *mtd);
    void (*put_device) (struct mtd_info *mtd);
};

   
   

   struct mtd_part
{
    struct mtd_info mtd;    //本分区信息(会被加入到mtd_table中，其大部分成员由其master决定)
    struct mtd_info *master;//该分区的主分区(不作为一个mtd_info加入到mtd_table。这也解释了上面的一个比喻，1个原始设备上有3个分区，最后将只有3个mtd_info加入到mtd_table而不是4个)
    uint64_t offset;        //该分区的偏移地址
    int index;              //该分区号
    struct list_head list;    
    int registered;                    
};

三、Linux中的Nor Flash驱动