linux_NandFlash_driver_超詳細分析 .

分類： Linux 驅動 Nand 驅動 2011-11-06 23:16 474人閱讀評論(0) 收藏舉報

今天學習了NandFlash的驅動，硬件操作非常簡單，就是這個linux下的驅動比較復雜，主要還是MTD層的問題，用了一下午時間整理出來一份詳細的分析，只是分析函數結構和調用關系，具體代碼實現就不看了，里面有N個結構體，搞得我頭大。

我用linux2.6.25內核，2440板子，先從啟動信息入手。

內核啟動信息，NAND部分：

s3c2440-nand s3c2440-nand: Tacls=2, 20ns Twrph0=3 30ns, Twrph1=2 20ns

NAND device: Manufacturer ID: 0xec, Chip ID: 0x76 (Samsung NAND 64MiB 3,3V 8-bit)

Scanning device for bad blocks

Creating 3 MTD partitions on "NAND 64MiB 3,3V 8-bit":

0x00000000-0x00040000 : "boot"

0x0004c000-0x0024c000 : "kernel"

0x0024c000-0x03ffc000 : "yaffs2"

第一行，在driver/mtd/nand/s3c2410.c中第910行，s3c2410_nand_init函數：

行二行，同一文件，第212行，s3c2410_nand_inithw函數：

dev_info(info->device, "Tacls=%d, %dns Twrph0=%d %dns, Twrph1=%d %dns\n", tacls, to_ns(tacls, clkrate), twrph0, to_ns(twrph0, clkrate), twrph1, to_ns(twrph1, clkrate));

第三行，在driver/mtd/nand/nand_base.c中第2346行，

printk(KERN_INFO "NAND device: Manufacturer ID:" " 0x%02x, Chip ID: 0x%02x (%s %s)\n", *maf_id, dev_id, nand_manuf_ids[maf_idx].name, type->name);

第四行，在driver/mtd/nand/nand_bbt.c中第380行，creat_bbt函數：

Printk(KERN INFO " Scanning device for bad blocks \n");

第五行，在driver/mtd/mtdpart.c中第340行，add_mtd_partitions函數：

printk (KERN_NOTICE "Creating %d MTD partitions on \"%s\":\n", nbparts, master->name);

下面三行，是flash分區表，也在mtdpart.c同一函數中，第430行：

printk (KERN_NOTICE "0x%08x-0x%08x : \"%s\"\n", slave->offset, slave->offset + slave->mtd.size, slave->mtd.name);

MTD體系結構：

在linux中提供了MTD（Memory Technology Device，內存技術設備）系統來建立Flash針對linux的統一、抽象的接口

引入MTD后，linux系統中的Flash設備驅動及接口可分為4層:

設備節點

MTD設備層

MTD原始設備層

硬件驅動層

硬件驅動層：Flash硬件驅動層負責底層硬件設備實際的讀、寫、擦除，Linux MTD設備的NAND型Flash驅動位于driver/mtd/nand子目錄下

s3c2410對應的nand Flash驅動為s3c2410.c

MTD原始設備層：MTD原始設備層由兩部分構成，一部分是MTD原始設備的通用代碼，另一部分是各個特定Flash的數據，比如分區

主要構成的文件有：

drivers/mtd/mtdcore.c 支持mtd字符設備

driver/mtd/mtdpart.c? 支持mtd塊設備

MTD設備層：基于MTD原始設備，Linux系統可以定義出MTD的塊設備（主設備號31) 和字符設備（設備號90），構成MTD設備層

簡單的說就是：使用一個mtd層來作為具體的硬件設備驅動和上層文件系統的橋梁。mtd給出了系統中所有mtd設備（nand，nor，diskonchip）的統一組織方式。

mtd層用一個數組struct mtd_info *mtd_table[MAX_MTD_DEVICES]保存系統中所有的設備，mtd設備利用struct mtd_info 這個結構來描述，該結構中描述了存儲設備的基本信息和具體操作所需要的內核函數，mtd系統的那個機制主要就是圍繞這個結構來實現的。結構體在include/linux/mtd/mtd.h中定義：

struct mtd_info {

u_char type;????????? ??//MTD 設備類型

u_int32_t flags;??? ????//MTD設備屬性標志

u_int32_t size; ????????//標示了這個mtd設備的大小

u_int32_t erasesize; ???//MTD設備的擦除單元大小，對于NandFlash來說就是Block的大小

u_int32_t oobblock;? ????//oob區在頁內的位置，對于512字節一頁的nand來說是512

u_int32_t oobsize;?? ???//oob區的大小，對于512字節一頁的nand來說是16

u_int32_t ecctype;????? //ecc校驗類型

u_int32_t eccsize; ?????//ecc的大小

char *name;???????????? //設備的名字

int index;????????????? //設備在MTD列表中的位置

struct nand_oobinfo oobinfo; //oob區的信息，包括是否使用ecc，ecc的大小

//以下是關于mtd的一些讀寫函數，將在nand_base中的nand_scan中重載

int (*erase)

int (*read)

int (*write)

int (*read_ecc)

int (*write_ecc)

int (*read_oob)

void *priv;//設備私有數據指針，對于NandFlash來說指nand芯片的結構

下面看nand_chip結構，在include/linux/mtd/nand.h中定義：

struct nand_chip {

void? __iomem?? *IO_ADDR_R;? ??//這是nandflash的讀寫寄存器

void? __iomem???? *IO_ADDR_W;?

//以下都是nandflash的操作函數，這些函數將根據相應的配置進行重載

u_char??? (*read_byte)(struct mtd_info *mtd);

void????? (*write_byte)(struct mtd_info *mtd, u_char byte);

u16?????? (*read_word)(struct mtd_info *mtd);

void????? (*write_word)(struct mtd_info *mtd, u16 word);

void???? (*write_buf)(struct mtd_info *mtd, const u_char *buf, int len);

void???? (*read_buf)(struct mtd_info *mtd, u_char *buf, int len);

int???? (*verify_buf)(struct mtd_info *mtd, const u_char *buf, int len);

void???? (*select_chip)(struct mtd_info *mtd, int chip);

int???? (*block_bad)(struct mtd_info *mtd, loff_t ofs, int getchip);

int????? (*block_markbad)(struct mtd_info *mtd, loff_t ofs);

void???? (*hwcontrol)(struct mtd_info *mtd, int cmd);

int????? (*dev_ready)(struct mtd_info *mtd);

void?? ??(*cmdfunc)(struct mtd_info *mtd, unsigned command, int column, int page_addr);

int??? ??(*waitfunc)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *this, int state);

int???? (*calculate_ecc)(struct mtd_info *mtd, const u_char *dat, u_char *ecc_code);

int? ?(*correct_data)(struct mtd_info *mtd, u_char *dat, u_char *read_ecc, u_char *calc_ecc);

void? ??(*enable_hwecc)(struct mtd_info *mtd, int mode);

void??? (*erase_cmd)(struct mtd_info *mtd, int page);

int???? (*scan_bbt)(struct mtd_info *mtd);

int?????? eccmode;?? ??//ecc的校驗模式（軟件，硬件）

int? ?????chip_delay;? //芯片時序延遲參數

int?????? page_shift;? //頁偏移，對于512B/頁的，一般是9

u_char??? *data_buf; ??//數據緩存區

跟NAND操作相關的函數：

1、 nand_base.c：

定義了NAND驅動中對NAND芯片最基本的操作函數和操作流程，如擦除、讀寫page、讀寫oob等。當然這些函數都只是進行一些常規的操作，若你的系統在對NAND操作時有一些特殊的動作，則需要在你自己的驅動代碼中進行定義。

2、 nand_bbt.c：

定義了NAND驅動中與壞塊管理有關的函數和結構體。

3、 nand_ids.c：

定義了兩個全局類型的結構體：struct nand_flash_dev nand_flash_ids[ ]和struct nand_manufacturers nand_manuf_ids[ ]。其中前者定義了一些NAND芯片的類型，后者定義了NAND芯片的幾個廠商。NAND芯片的ID至少包含兩項內容：廠商ID和廠商為自己的NAND芯片定義的芯片ID。當NAND加載時會找這兩個結構體，讀出ID，如果找不到，就會加載失敗。

4、 nand_ecc.c：

定義了NAND驅動中與softeware ECC有關的函數和結構體，若你的系統支持hardware ECC，且不需要software ECC，則該文件也不需理會。

我們需要關心的是/nand/s3c2410,這個文件實現的是s3c2410/2440nandflash控制器最基本的硬件操作，讀寫擦除操作由上層函數完成。

s3c2410.c分析：

首先看一下要用到的結構體的注冊：

struct s3c2410_nand_mtd {

??? struct mtd_info????? mtd;?? //mtd_info的結構體

??? struct nand_chip???? chip;? //nand_chip的結構體

??? struct s3c2410_nand_set???? *set;

??? struct s3c2410_nand_info ?? *info;

??? int?????????? scan_res;

};

enum s3c_cpu_type {? //用來枚舉CPU類型

??? TYPE_S3C2410,

??? TYPE_S3C2412,

??? TYPE_S3C2440,

};

struct s3c2410_nand_info {?

??? /* mtd info */

??? struct nand_hw_control????? controller;

??? struct s3c2410_nand_mtd???? *mtds;

??? struct s3c2410_platform_nand??? *platform;

??? /* device info */

??? struct device??????? *device;

??? struct resource????????? *area;

??? struct clk??????? *clk;

??? void __iomem???????? *regs;

??? void __iomem???????? *sel_reg;

??? int?????????? sel_bit;

??? int?????????? mtd_count;

??? unsigned long??????? save_nfconf;

??? enum s3c_cpu_type??? cpu_type;

};

設備的注冊：

static int __init s3c2410_nand_init(void)

{

??? platform_driver_register(&s3c2412_nand_driver);

??? platform_driver_register(&s3c2440_nand_driver);

??? return platform_driver_register(&s3c2410_nand_driver);

}

platform_driver_register向內核注冊設備，同時支持這三種CPU。

&s3c2440_nand_driver是一個platform_driver類型的結構體：

static struct platform_driver s3c2440_nand_driver = {

??? .probe???? = s3c2440_nand_probe,

??? .remove?? = s3c2410_nand_remove,

??? .suspend?? = s3c24xx_nand_suspend,

??? .resume??? = s3c24xx_nand_resume,

??? .driver??? = {

?????? .name? = "s3c2440-nand",

?????? .owner = THIS_MODULE,

??? },

};

最主要的函數就是s3c2440_nand_probe，（調用s3c24XX_nand_probe）,完成對nand設備的探測，

static int s3c24xx_nand_probe(struct platform_device *pdev,

?????????? ????? enum s3c_cpu_type cpu_type)

{

?????? /*主要完成一些硬件的初始化，其中調用函數：*/

?????? s3c2410_nand_init_chip(info, nmtd, sets);

?????? /*init_chip結束后，調用nand_scan完成對flash的探測及mtd_info讀寫函數的賦值*/

nmtd->scan_res = nand_scan(&nmtd->mtd, (sets) ? sets->nr_chips : 1);

?????? if (nmtd->scan_res == 0) {

?????????? s3c2410_nand_add_partition(info, nmtd, sets);

?????? }

}

Nand_scan是在初始化nand的時候對nand進行的一步非常好重要的操作，在nand_scan中會對我們所寫的關于特定芯片的讀寫函數重載到nand_chip結構中去，并會將mtd_info結構體中的函數用nand的函數來重載，實現了mtd到底層驅動的聯系。

并且在nand_scan函數中會通過讀取nand芯片的設備號和廠家號自動在芯片列表中尋找相應的型號和參數，并將其注冊進去。

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;

??? /*以下都是對chip賦值，對應nand_chip中的函數*/

??? chip->write_buf??? = s3c2410_nand_write_buf;? //寫buf

??? chip->read_buf???? = s3c2410_nand_read_buf;?? //讀buf

??? chip->select_chip? = s3c2410_nand_select_chip;//片選

??? chip->chip_delay?? = 50;

??? chip->priv ?? = nmtd;

??? chip->options ?? = 0;

??? chip->controller?? = &info->controller; //？？

??? switch (info->cpu_type) {

??? case TYPE_S3C2440:

?????? chip->IO_ADDR_W = regs + S3C2440_NFDATA;? //數據寄存器

?????? info->sel_reg?? = regs + S3C2440_NFCONT;? //控制寄存器

?????? info->sel_bit = S3C2440_NFCONT_nFCE;

?????? chip->cmd_ctrl? = s3c2440_nand_hwcontrol; //硬件控制

?????? chip->dev_ready = s3c2440_nand_devready;? //設備就緒

?????? chip->read_buf? = s3c2440_nand_read_buf;? //讀buf

?????? chip->write_buf?? = s3c2440_nand_write_buf;//寫buf

?????? break;

? ? }

??? chip->IO_ADDR_R = chip->IO_ADDR_W; //讀寫寄存器都是同一個

??? nmtd->info ?? = info;

??? nmtd->mtd.priv??? ?? = chip; //私有數據指針指向chip

??? nmtd->mtd.owner??? = THIS_MODULE;

??? nmtd->set? ?? = set;

??? /*后面是和ECC校驗有關的，省略*/

}

初始化后，實現對nand的基本硬件操作就可以了，包括以下函數：

s3c2410_nand_inithw? //初始化硬件，在probe中調用

s3c2410_nand_select_chip? //片選

s3c2440_nand_hwcontrol? //硬件控制，其實就是片選

s3c2440_nand_devready? //設備就緒

s3c2440_nand_enable_hwecc? //使能硬件ECC校驗

s3c2440_nand_calculate_ecc? //計算ECC

s3c2440_nand_read_buf? s3c2440_nand_write_buf

注冊nand設備到MTD原始設備層：（這個函數由probe調用）

#ifdef CONFIG_MTD_PARTITIONS?? //如果定義了MTD分區

static int s3c2410_nand_add_partition(struct s3c2410_nand_info *info,

????????????? ????? struct s3c2410_nand_mtd *mtd,

????????????? ????? struct s3c2410_nand_set *set)

{

??? if (set == NULL)

?????? return add_mtd_device(&mtd->mtd);

??? if (set->nr_partitions > 0 && set->partitions != NULL) {

?????? return add_mtd_partitions(&mtd->mtd, set->partitions, set->nr_partitions);

??? }

??? return add_mtd_device(&mtd->mtd);

}

#else

注冊設備用這兩個函數：

add_mtd_device? //如果nand整體不分區，用這個，

//該函數在mtdcore.c中實現

add_mtd_partitions? //如果nand是分區結構，用這個，

//該函數在mtdpart.c中實現

同樣，注銷設備也有兩個函數：

del_mtd_device

del_mtd_partitions

NandFlash還有一個分區表結構體，mtd_partition，這個是在arch/arm/plat-s3c24XX/common-smdk.c中定義的。

static struct mtd_partition smdk_default_nand_part[] = {

??? [0] = {

?????? .name? = "boot",

?????? .size? = 0x00040000,

?????? .offset??? = 0,

??? },

??? [1] = {

?????? .name? = "kernel",

?????? .offset = 0x0004C000,

?????? .size? = 0x00200000,

??? },

??? [2] = {

?????? .name? = "yaffs2",

?????? .offset = 0x0024C000,

?????? .size? = 0x03DB0000,

??? },

};

記錄了當前的nand flash有幾個分區，每個分區的名字，大小，偏移量是多少

系統就是依靠這些分區表找到各個文件系統的

這些分區表nand中的文件系統沒有必然關系，分區表只是把flash分成不同的部分

如果自己編寫一個nandflash驅動，只需要填充這三個結構體：

Mtd_info???? nand_chip???? mtd_partition

并實現對物理設備的控制，上層的驅動控制已由mtd做好了，不需要關心

2410NandFlash控制器

管腳配置

D[7:0]: DATA0-7 數據/命令/地址/的輸入/輸出口（與數據總線共享）

CLE : GPA17? 命令鎖存使能 (輸出)

ALE : GPA18? 地址鎖存使能（輸出）

nFCE : GPA22 NAND Flash 片選使能（輸出）

nFRE : GPA20 NAND Flash 讀使能 (輸出)

nFWE : GPA19 NAND Flash 寫使能 (輸出)

R/nB : GPA21 NAND Flash 準備好/繁忙（輸入）

相關寄存器：

NFCONF?? NandFlash控制寄存器

?［15］NandFlash控制器使能/禁止???? 0 = 禁止?? 1 = 使能

?［14：13］保留

?［12］初始化ECC解碼器/編碼器??? 0 = 不初始化?? 1 = 初始化

?［11］芯片使能? nFCE控制??????? 0 = 使能?????? 1 = 禁止

?［10：8］TACLS?? 持續時間 = HCLK*（TACLS+1）

?［6：4］ TWRPH0

?［2：0］ TWRPH1

NFCMD? 命令設置寄存器

?［7：0］命令值

NFADDR 地址設置寄存器

?［7：0］存儲器地址

NFDATA 數據寄存器

?［7：0］存放數據

NFSTAT 狀態寄存器

?［0］??? 0 = 存儲器忙???? 1 = 存儲器準備好

NFECC? ECC寄存器

?［23：16］ECC校驗碼2

?［15：8］ ECC校驗碼1

?［8：0］? ECC校驗碼0

寫操作：

寫入操作以頁為單位。寫入必須在擦除之后，否則寫入將出錯。

頁寫入周期中包括以下步驟：

寫入串行數據輸入指令（80h）。然后寫入4個字節的地址，最后串行寫入數據（528Byte）。串行寫入的數據最多為528byte。

串行數據寫入完成后，需要寫入“頁寫入確認”指令10h，這條指令將初始化器件內部寫入操作。

10h寫入之后，nand flash的內部寫控制器將自動執行內部寫入和校驗中必要的算法和時序，

系統可以通過檢測R/B的輸出，或讀狀態寄存器的狀態位（I/O 6）來判斷內部寫入是否結束

擦除操作：

擦除操作時以塊(16K Byte)為單位進行的

擦除的啟動指令為60h,隨后的3個時鐘周期是塊地址。其中只有A14到A25是有效的，而A9到A13是可以忽略的。

塊地址之后是擦除確認指令D0h，用來開始內部的擦除操作。

器件檢測到擦除確認命令后，在/WE的上升沿啟動內部寫控制器，開始執行擦除和擦除校驗。內部擦除操作完成后，應該檢測寫狀態位（I/O 0），從而了解擦除操作是否成功完成。

讀操作有兩種讀模式：

讀方式1用于讀正常數據；

讀方式2用于讀附加數據

在初始上電時，器件進入缺省的“讀方式1模式”。在這一模式下，頁讀取操作通過將00h指令寫入指令寄存器，接著寫入3個地址（一個列地址和2個行地址）來啟動。一旦頁讀指令被器件鎖存，下面的頁操作就不需要再重復寫入指令了。

寫入指令和地址后，處理器可以通過對信號線R//B的分析來判斷該才作是否完成。

外部控制器可以再以50ns為周期的連續/RE脈沖信號的控制下，從I/O口依次讀出數據

備用區域的從512到527地址的數據，可以通過讀方式2指令進行指令進行讀取（命令為50h）。地址A0～A3設置了備用區域的起始地址，A4～A7被忽略掉

時序要求：

寫地址、數據、命令時，nCE、nWE信號必須為低電平，它們在nWE信號的上升沿被鎖存。命令鎖存使能信號CLE和地址鎖存信號ALE用來區分I/O引腳上傳輸的是命令還是地址。

尋址方式：

NAND Flash的尋址方式和NAND Flash的memory組織方式緊密相關。NAND Flash的數據以bit的方式保存在memory cell，一個cell中只能存儲一個bit。這些cell以8個或者16個為單位，連成bit line，形成byte(x8)/word(x16)，這就是NAND的數據寬度。

??????

?????? 這些Line會再組成Page，典型情況下：通常是528Byte/page或者264Word/page。然后，每32個page形成一個Block，Sizeof(block)=16.5kByte。其中528Byte = 512Byte+16Byte，前512Byte為數據區，后16Byte存放數據校驗碼等，因此習慣上人們稱1page有512個字節，每個Block有16Kbytes；

????? 現在在一些大容量的FLASH存貯設備中也采用以下配置：2112 Byte /page 或 1056 Word/page；64page/Block；Sizeof(block) = 132kByte；同上：2112 = 2048 +64，人們習慣稱一頁含2k個字節，一個Block含有64個頁，容量為128KB；

?????? Block是NAND Flash中最大的操作單元，擦除可以按照block或page為單位完成，而編程/讀取是按照page為單位完成的

。

?????? 所以，按照這樣的組織方式可以形成所謂的三類地址：

???????? -Block? Address?? 塊地址

???????? -Page?? Address?? 頁地址

???????? -Column Address? 列地址

??? ? 首先，必須清楚一點，對于NAND Flash來講，地址和命令只能在I/O[7:0]上傳遞，數據寬度可以是8位或者16位，但是，對于x16的NAND Device，I/O[15:8]只用于傳遞數據。

??? 清楚了這一點，我們就可以開始分析NAND Flash的尋址方式了。

以528Byte/page 總容量64M Byte+512kbyte的NAND器件為例：

因為

1page=528byte=512byte(Main Area)+16byte(Spare Area)

1block=32page = 16kbyte

64Mbyte = 4096 Block

用戶數據保存在main area中。

512byte需要9bit來表示，對于528byte系列的NAND，這512byte被分成1st half和2nd half,各自的訪問由所謂的pointer operation命令來選擇，也就是選擇了bit8的高低。因此A8就是halfpage pointer，A[7:0]就是所謂的column address。

32個page需要5bit來表示，占用A[13:9]，即該page在塊內的相對地址。

Block的地址是由A14以上的bit來表示，例如64MB的NAND，共4096block，因此，需要12個bit來表示，即A[25:14]，如果是1Gbit的528byte/page的NAND Flash，共8192個block，則block address用A[30:14]表示。

NAND Flash的地址表示為：

Block Address? |? Page Address in block? |? half page pointer | ?Column Address

地址傳送順序是Column Address , Page Address , Block Address。

例如一個地址：0x00aa55aa

? ?????? 0000 0000? 1010? 1010? 0101 ?0101 ?1010 ?1010

由于地址只能在I/O[7:0]上傳遞，因此，必須采用移位的方式進行。

例如，對于64MBx8的NAND flash，地址范圍是0~0x3FF_FFFF，只要是這個范圍內的數值表示的地址都是有效的。

??????

?????? 以NAND_ADDR為例：

?????? 第1步是傳遞column address，就是NAND_ADDR[7:0]，不需移位即可傳遞到I/O[7:0]上，而halfpage pointer即bit8是由操作指令決定的，即指令決定在哪個halfpage上進行讀寫，而真正的bit8的值是don't care的。