【簡介】如何編寫linux下nand flash驅動
Version: V0.1
Time:10/06/2008
Author：[email][email protected][/email]
【編寫驅動之前要了解的知識】
1.硬件方面：
【Flash的種類】
Flash主要分nand flash和nor flash
除了網上最流行的這個解釋之外：
我再多說幾句，nor的成本相對高，比較適合應用於存儲少量的代碼。
Nand flash相對成本低，因此可以用來存儲大量的數據，其在嵌入式系統中的作用，相當於PC上的硬盤，用於存儲大量數據。
Nor flash，有類似於dram之類的地址總線，因此可以直接和CPU相連，CPU可以直接通過地址總線對nor flash進行訪問，而nand flash沒有這類的總線，只有IO接口，只能通過IO接口發送命令和地址，對nand flash內部數據進行訪問。相比之下，nor flash就像是並行訪問，nand flash就是串行訪問，所以相對來說，前者的速度更快些。
但是由於物理製程/製造方面的原因，導致nor 和nand在一些具體操作方面的特性不同：
Nand 和 Nor Flash 的區別
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NOR |
NAND |
（備註） |
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接口 |
總線 |
I/O接口 |
這個兩者最大的區別 |
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單個cell大小 |
大 |
小 |
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單個Cell成本 |
高 |
低 |
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讀耗時 |
快 |
慢 |
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單字節的編程時間 |
快 |
慢 |
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多字節的編程時間 |
慢 |
快 |
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擦除時間 |
慢 |
快 |
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功耗 |
高 |
低，但是需要額外的RAM |
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是否可以執行代碼 |
是 |
不行, 但是一些新的芯片，可以在第一頁之外執行一些小的loader |
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位反轉Bit twiddling |
幾乎無限制 |
1-3次，也稱作 “部分頁編程限制” |
也就是數據錯誤了？ |
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在芯片出廠時候是否允許壞塊 |
不允許 |
允許 |
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【Nand Flash的種類】
具體再分，又可以分爲
1)Bare NAND chips：裸片，單獨的nand 芯片
2)SmartMediaCards： =裸片+一層薄塑料，常用於數碼相機和MP3播放器中。之所以稱smart，是由於其軟件smart，而不是硬件本身有啥smart之處。^_^
3)DiskOnChip：裸片+glue logic，glue logic=硬件ECC產生器+用於靜態的nand 芯片控制的寄存器+直接訪問一小片地址窗口，那塊地址中包含了引導代碼的stub樁，其可以從nand flash中拷貝真正的引導代碼。
【Nand flash的特點】
Nand flash的操作，和其他一些常見的設備，如硬盤等，不同，其有自己特殊的方式。
其特殊就在於：
1.Nand flash的最小單位是頁page，而不是其他很多設備所說的位bit。
2.寫入數據之前必須先進行擦除erase操作
3.寫的時候，最小單位是頁page，對也進行寫操作，也稱作“頁編程”，page programming
4.擦除的最小單位是塊block
5.由於物理特性，容易出錯，所以無論是讀還是寫，都要採取檢測和校驗，即EDC。
6.nand flash出廠時候，就有一定壞的塊block，成爲換塊，並且做了一定標記。
7.nand flash中有個額外的空間，叫做spare area/oob
【spare area/oob】
Nand由於最初硬件設計時候考慮到，額外的錯誤校驗等需要空間，專門對應每個頁，額外設計了叫做spare area空區域，在其他地方，比如jffs2文件系統中，也叫做oob（out of band）數據。
其具體用途，總結起來有：
1. 標記是否是壞快
2. 存儲ECC數據
3. 存儲一些和文件系統相關的數據，如jffs2就會用到這些空間存儲一些特定信息
【常見Nand Flash的大小及參數】
常見的nand flash 的大小，由最開始的小於256M,到現在的常見的1G，2G，甚至更大。
以前的nand flash的
Pagesize頁大小，多爲512B+16B的oob，block大小爲64*（512B+16B）=32KB+1KB
現在目前市場上見到的，絕大多數，都是新的nand falsh，其Pagesize頁大小多爲2KB+64B的oob，block大小多爲64pages頁=64*（2K+64B）=128KB+4KB，一個nand flash中的芯片，一般含有4096個塊，比如samsung的K9F4G08U0M，所以這個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】
所謂工作原理，其實也就是對應對其如何操作的。
還是以上面提到的samsung的K9F4G08U0M的nand flash爲例，簡單描述如下：
1.nand flash定義了一些引腳，使得你可以發送命令過去，實現對nand flash的操控：
上面這些引腳，需要解釋的主要是
CLE，使能，只有使能有效，你才能進行後續的操作。只能選中了這個nand芯片，才能進行後續的讀寫。
ALE，在發送地址時，要鎖住地址總線，纔可以操作。
RE，WE，在讀寫之前，要對應的引腳有效，纔可以進行讀寫的。
其他見解釋皆可。
所有如上的引腳，都是驅動中，通過發送命令，具體內部控制邏輯去實現的。
而驅動開發者要關心的，是何時去發送對應的命令。具體想要實現一操作，要何時發送什麼命令才能實現，要繼續看下面的datasheet中的解釋：
如果想要對nand flash操作，就要根據datasheet中的規範進行，比如對頁的寫操作/寫編程要根據這個順序去操作：
其具體的細節，包含了哪些操作，可以看這個時序圖：
從上圖可以看出來，要先發80h的命令，再繼續後面的操作。
這裏的80h命令的含義，參考這個圖表：
從這個圖表，可以看到，80h就是page program的第一個命令。
而時序圖中的先兩個col列地址，後三個row行地址，是根據下面這個圖得來的：
此時才能定位到你所要操作的頁，才能進行寫操作。
再多說幾句，上圖表示了，如果想要對這個nand flash操作，讀或寫，需要進行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，才能讀寫。同時顯示了，每次每個位，對應代表的地址位。
此處的2個列地址和3個行地址，是由硬件設計決定的。
老的nand flash由於每個頁只有512B，所以，最後的操作，只需要1個列地址和3個行地址就可以定位了。感興趣的可以去網上下載samsung一些老的nand flash，可以對比着看，更明白些。
而每個操作，比如上面的寫操作，都是需要一定時間的，其具體硬件操作所需的時間，見這個圖：
此處可以看到，寫一個頁，即頁編程，一般需要200us，最大需要700us，所以驅動開發者在開發的時候，要知道這個細節，要等待對應的時間，再去判斷，是否寫操作順利完成了，才能接下來繼續後面其他的操作的。
上述的具體代碼實現，可以去看
drivers\mtd\nand\nand_base.c中的nand_command_lp()函數中的代碼：
/* Command latch cycle */
//對命令鎖存，然後才能發送命令
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;
//先發送2次col地址，構成整個列地址
/* 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);
}
//再發送3次row地址，構成整個行地址
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);
}
}
這樣就可以定位到我們要操作的位置，進行操作了。
2.軟件方面：
Linux驅動原理
具體內部很多實現，已經包含在drivers\mtd\nand\nand_base.c中了
【nand flash驅動加載識別nand類型過程】
在驅動加載的時候，會去調用：
nand_get_flash_type（）
其中，就會對nand的類型和其他相關參數進行檢查。
1） 選中對應設備，如果此時只有一個nand 芯片，則此步可以省略
/* Select the device */
chip->select_chip(mtd, 0);
x
2） 發讀命令，去讀取設備類型代碼
/* Send the command for reading device ID */
chip->cmdfunc(mtd, NAND_CMD_READID, 0x00, -1);
3） 判斷是哪個廠商的，哪個類型的flash
/* Read manufacturer and device IDs */
*maf_id = chip->read_byte(mtd);
dev_id = chip->read_byte(mtd);
4） 在事先已經定義好的nand flash類型中查找屬於何種廠商和型號
/* 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） 繼續判斷具體nand flash的各個參數，包括
芯片信息，Pagesize頁大小，oobsize即oob的大小，blocksize塊大小，buswidth總線寬度是8位還是16位。
如果頁大小不是之前老的nand的512B，而是新的nand的2K或更大，則後面對應的發送給nand flash命令的的時候，調用的函數就由nand_command()變成nand_command_lp()了。
後者主要比前者多一發個命令：
chip->cmd_ctrl(mtd, column >> 8, ctrl);
即，多發一個列地址命令。
因爲大頁面（>2KB）的尋址需要2次column，而小頁面（512B）只需要1次的列地址。
具體可以參考nand flash的datasheet。
6） 接着會做一些其他初始化操作，包括最後調用nand_set_defaults()去實現的默認函數的掛載，如果你的nand flash驅動沒有實現的話，就是掛載默認的了。
【模塊加載原理】
這個內容太大，此處只是簡單說說。
驅動加載的功能主要是probe函數實現的，主要去識別設備的類型和各個參數，並且爲設備的使用進行正常的初始化。
對應卸載時候執行的remove函數，施放對應的，之前申請的一些資源。
【MTD設備】
在Linux下，將nand Flash等設備歸屬到MTD設備下進行統一管理。
Mtd，即memory technology deveice，即將nand看出是存儲設備來管理。
之所以會這麼說和這麼做，是因爲前面提高的nand flash和普通硬盤等設備的特殊性：
IO接口，最小單位是頁，寫前需擦除等，導致了，不能像平常對待硬盤等操作一樣去操作nand flash，只能採取一些特殊方法，這就誕生了mtd設備的統一抽象層，將nand flash，nor flash和其他類型的flash等設備，統一抽象成mtd設備來管理，根據這些設備的特點，上層實現了常見的操作函數封裝，底層具體的內部實現，就需要驅動設計者自己來實現了。
MTD設備和硬盤設備之前的區別
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HARD drives |
MTD device |
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連續的扇區 |
連續的可擦除塊 |
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扇區都很小(512B,1024B) |
可擦除塊比較大 (32KB,128KB) |
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主要通過兩個操作對其維護操作：讀扇區，寫扇區 |
主要通過三個操作對其維護操作：從擦除塊中讀，寫入擦除塊，擦寫可擦除塊 |
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壞快被重新映射，並且被硬件隱藏起來了（至少是在如今常見的LBA硬盤設備中是如此） |
壞的可擦除塊沒有被隱藏，軟件中要處理對應的壞塊問題。 |
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HDD扇區沒有擦寫壽命超出的問題。 |
可擦除塊是有擦除次數限制的，大概是104-105次. |
【Linux下nand flash驅動編寫步驟簡介】
1. 瞭解硬件的nand flash的各個參數和工作原理
具體參考nand flash的datasheet，主要包括，自己nand flash的廠商，型號等。
Nand flash的頁大小，oob大小，塊大小，位寬8bit還是16bit。
工作原理，上面已經做了一定描述，不清楚的，可以參考datasheet，多看看，就會明白很多。
2. 按照linux下驅動編寫規範編寫nand flash驅動，
可以參考其他已經有的驅動，比如內核源碼中已經有的
drivers\mtd\nand\s3c2410.c
就是個很好的例子。
自己以其爲模板，實現自己板子的nand flash驅動。
其實主要工作就是，實現
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函數
XXX_nand_remove函數
XXX_nand_enable_hwecc，如果支持硬件ecc的話。
對nand flash的讀寫，這兩個函數，實現了對nand的具體操作。
【Linux下Nand Flash驅動編寫簡單步驟】
軟件和硬件知識，都已經瞭解的話，由於上層的linux的 mtd框架中，已經完全封裝好了，對nand flash的write page，write oob等相關函數的實現，那麼剩下的只是相對來說已經是很少量的，關於nand 驅動具體內部操作方面的工作：
1.初始化
先是在nand 芯片初始化的時候，對其
XXX_nand_init_chip（）
給對應的芯片chip賦給對應的
XXX_nand_read_buf和XXX_nand_write_buf等函數：
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;
以實現後續的對nand芯片的操作。
然後根據ecc類型，賦給對應的ecc的校驗與糾錯函數：
chip->ecc.hwctl = XXX_nand_enable_hwecc;
chip->ecc.calculate = XXX _nand_calculate_ecc;
3. 實現上面提到的對應的各個函數，關於如何實現，參考一下其他nand驅動，就會理解很多了。
4. 驅動測試，參考具體的 ldd3（Linux Device Driver version 3）的測試相關部分內容。
說得很亂，希望對大家有些幫助。