nand驱动常识

【简介】如何编写linux下nand flash驱动

Version: V0.1

Time:10/06/2008

Author：[e-mail]

【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：

NAND和NOR的比较

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

	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	大	小
单个Cell成本	高	低
读耗时	快	慢
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
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	即是否允许，芯片内执行(XIP, eXecute In Place)
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

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.

 

【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

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。

 

【引用文章】

Brief Intro of Nand Flash

Samsung K9F4G08U0M.pdf （Samsung Nand Flash 的Datasheet ，nand型号是K9F4G08U0M）

nand falsh read operation