Linux下NAND FLASH驱动开发

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：

 

 表1：Nand Flash 和 Nor Flash 的区别

1. 理论上是可以的，而且也是有人验证过可以的，只不过由于 nand flash 的物理特性，不能完全保证所读取的数据 / 代码是正确的，实际上，很少这么用而已。因为，如果真是要用到 nand flash 做 XIP ，那么除了读出速度慢之外，还要保证有数据的校验，以保证读出来的，将要执行的代码 / 数据，是正确的。否则，系统很容易就跑飞了。

2. 芯片内执行 (XIP, eXecute In Place) :

http://hi.baidu.com/serial_story/blog/item/adb20a2a3f8ffe3c5243c1df.html

【 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。

【 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， yaffs2 文件系统，会在 oob 中，存放很多和自己文件系统相关的信息。

2. 软件方面

如果想要在 Linux 下编写 Nand Flash 驱动，那么就先要搞清楚 Linux 下，关于此部分的整个框架。弄明白，系统是如何管理你的 nand flash 的，以及，系统都帮你做了那些准备工作，而剩下的，驱动底层实现部分，你要去实现哪些功能，才能使得硬件正常工作起来。

【内存技术设备， MTD ( Memory Technology Device )】

MTD ，是 Linux 的存储设备中的一个子系统。其设计此系统的目的是，对于内存类的设备，提供一个抽象层，一个接口，使得对于硬件驱动设计者来说，可以尽量少的去关心存储格式，比如 FTL ， FFS2 等，而只需要去提供最简单的底层硬件设备的读 / 写 / 擦除函数就可以了。而对于数据对于上层使用者来说是如何表示的，硬件驱动设计者可以不关心，而 MTD 存储设备子系统都帮你做好了。

对于 MTD 字系统的好处，简单解释就是，他帮助你实现了，很多对于以前或者其他系统来说，本来也是你驱动设计者要去实现的很多功能。换句话说，有了 MTD ，使得你设计 Nand Flash 的驱动，所要做的事情，要少很多很多，因为大部分工作，都由 MTD 帮你做好了。

当然，这个好处的一个“副作用”就是，使得我们不了解的人去理解整个 Linux 驱动架构，以及 MTD ，变得更加复杂。但是，总的说，觉得是利远远大于弊，否则，就不仅需要你理解，而且还是做更多的工作，实现更多的功能了。

此外，还有一个重要的原因，那就是，前面提到的 nand flash 和普通硬盘等设备的特殊性：

有限的通过出复用来实现输入输出命令和地址 / 数据等的 IO 接口，最小单位是页而不是常见的 bit ，写前需擦除等，导致了这类设备，不能像平常对待硬盘等操作一样去操作，只能采取一些特殊方法，这就诞生了 MTD 设备的统一抽象层。

MTD ，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。具体的内部硬件设备的读 / 写 / 擦除函数，那就是你必须实现的了。

表 2.MTD 设备和硬盘设备之间的区别

多说一句，关于 MTD 更多的内容，感兴趣的，去附录中的 MTD 的主页去看。

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。[!--empirenews.page--]

【 Nand flash 驱动工作原理】

在介绍具体如何写 Nand Flash 驱动之前，我们先要了解，大概的，整个系统，和 Nand Flash 相关的部分的驱动工作流程，这样，对于后面的驱动实现，才能更加清楚机制，才更容易实现，否则就是，即使写完了代码，也还是没搞懂系统是如何工作的了。

让我们以最常见的， Linux 内核中已经有的三星的 Nand Flash 驱动，来解释 Nand Flash 驱动具体流程和原理。

此处是参考 2.6.29 版本的 Linux 源码中的 /drivers/mtd/nand/s3c2410.c ，以 2410 为例。

1. 在 nand flash 驱动加载后，第一步，就是去调用对应的 init 函数， s3c2410_nand_init, 去将在 nand flash 驱动注册到 Linux 驱动框架中。

2. 驱动本身，真正开始，是从 probe 函数， s3c2410_nand_probe->s3c24xx_nand_probe,

在 probe 过程中，去用 clk_enable 打开 nand flash 控制器的 clock 时钟，用 request_mem_region 去申请驱动所需要的一些内存等相关资源。然后，在 s3c2410_nand_inithw 中，去初始化硬件相关的部分，主要是关于时钟频率的计算，以及启用 nand flash 控制器，使得硬件初始化好了，后面才能正常工作。

3. 需要多解释一下的，是这部分代码：

for (setno = 0; setno < nr_sets; setno++, nmtd++) {

pr_debug("initialising set %d (%p, info %p)/n", setno, nmtd, info);

/* 调用 init chip 去挂载你的 nand 驱动的底层函数到 nand flash 的结构体中，以及设置对应的 ecc mode ，挂载 ecc 相关的函数 */

s3c2410_nand_init_chip(info, nmtd, sets);

/* scan_ident ，扫描 nand 设备，设置 nand flash 的默认函数，获得物理设备的具体型号以及对应各个特性参数，这部分算出来的一些值，对于 nand flash 来说，是最主要的参数，比如 nand falsh 的芯片的大小，块大小，页大小等。 */

nmtd->scan_res = nand_scan_ident(&nmtd->mtd,

(sets) ? sets->nr_chips : 1);

if (nmtd->scan_res == 0) {

s3c2410_nand_update_chip(info, nmtd);

/* scan tail ，从名字就可以看出来，是扫描的后一阶段，此时，经过前面的 scan_ident ，我们已经获得对应 nand flash 的硬件的各个参数，然后就可以在 scan tail 中，根据这些参数，去设置其他一些重要参数，尤其是 ecc 的 layout ，即 ecc 是如何在 oob 中摆放的，最后，再去进行一些初始化操作，主要是根据你的驱动，如果没有实现一些函数的话，那么就用系统默认的。 */

nand_scan_tail(&nmtd->mtd);

/* add partion ，根据你的 nand flash 的分区设置，去分区 */

s3c2410_nand_add_partition(info, nmtd, sets);

}

if (sets != NULL)

sets++;

}

4. 等所有的参数都计算好了，函数都挂载完毕，系统就可以正常工作了。

上层访问你的 nand falsh 中的数据的时候，通过 MTD 层，一层层调用，最后调用到你所实现的那些底层访问硬件数据 / 缓存的函数中。

【 Linux 下 nand flash 驱动编写步骤简介】

关于上面提到的，在 nand_scan_tail 的时候，系统会根据你的驱动，如果没有实现一些函数的话，那么就用系统默认的。如果实现了自己的函数，就用你的。

估计很多人就会问了，那么到底我要实现哪些函数呢，而又有哪些是可以不实现，用系统默认的就可以了呢。

此问题的，就是我们下面要介绍的，也就是，你要实现的，你的驱动最少要做哪些工作，才能使整个 nand flash 工作起来。

1. 对于驱动框架部分

其实，要了解，关于驱动框架部分，你所要做的事情的话，只要看看三星的整个 nand flash 驱动中的这个结构体，就差不多了：

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,

},

};

对于上面这个结构体，没多少要解释的。从名字，就能看出来：

( 1 ) probe 就是系统“探测”，就是前面解释的整个过程，这个过程中的多数步骤，都是和你自己的 nand flash 相关的，尤其是那些硬件初始化部分，是你必须要自己实现的。

( 2 ) remove ，就是和 probe 对应的，“反初始化”相关的动作。主要是释放系统相关资源和关闭硬件的时钟等常见操作了。

(3)suspend 和 resume ，对于很多没用到电源管理的情况下，至少对于我们刚开始写基本的驱动的时候，可以不用关心，放个空函数即可。

2. 对于 nand flash 底层操作实现部分

而对于底层硬件操作的有些函数，总体上说，都可以在上面提到的 s3c2410_nand_init_chip 中找到：

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;

chip->write_buf = s3c2410_nand_write_buf ;

chip->read_buf = s3c2410_nand_read_buf ;

chip->select_chip = s3c2410_nand_select_chip ;

chip->chip_delay = 50;

chip->priv = nmtd;

chip->options = 0;

chip->controller = &info->controller;

switch (info->cpu_type) {

case TYPE_S3C2410:

/* nand flash 控制器中，一般都有对应的数据寄存器，用于给你往里面写数据，表示将要读取或写入多少个字节 (byte,u8)/ 字 (word,u32) ，所以，此处，你要给出地址，以便后面的操作所使用 */

chip->IO_ADDR_W = regs + S3C2410_NFDATA;[!--empirenews.page--]

info->sel_reg = regs + S3C2410_NFCONF;

info->sel_bit = S3C2410_NFCONF_nFCE;

chip->cmd_ctrl = s3c2410_nand_hwcontrol ;

chip->dev_ready = s3c2410_nand_devready ;

break;

。。。。。。

}

chip->IO_ADDR_R = chip->IO_ADDR_W;

nmtd->info = info;

nmtd->mtd.priv = chip;

nmtd->mtd.owner = THIS_MODULE;

nmtd->set = set;

if (hardware_ecc) {

chip->ecc.calculate = s3c2410_nand_calculate_ecc ;

chip->ecc.correct = s3c2410_nand_correct_data ;

/* 此处，多数情况下，你所用的 Nand Flash 的控制器，都是支持硬件 ECC 的，所以，此处设置硬件 ECC(HW_ECC) ，也是充分利用硬件的特性，而如果此处不用硬件去做的 ECC 的话，那么下面也会去设置成 NAND_ECC_SOFT ，系统会用默认的软件去做 ECC 校验，相比之下，比硬件 ECC 的效率就低很多，而你的 nand flash 的读写，也会相应地要慢不少 */

chip->ecc.mode = NAND_ECC_HW;

switch (info->cpu_type) {

case TYPE_S3C2410:

chip->ecc.hwctl = s3c2410_nand_enable_hwecc ;

chip->ecc.calculate = s3c2410_nand_calculate_ecc;

break;

。。。。。

}

} else {

chip->ecc.mode = NAND_ECC_SOFT;

}

if (set->ecc_layout != NULL)

chip->ecc.layout = set->ecc_layout;

if (set->disable_ecc)

chip->ecc.mode = NAND_ECC_NONE;

}

而我们要实现的底层函数，也就是上面蓝色标出来的一些函数而已：

( 1 ) s3c2410_nand_write_buf 和 s3c2410_nand_read_buf ：这是两个最基本的操作函数，其功能，就是往你的 nand flash 的控制器中的 FIFO 读写数据。一般情况下，是 MTD 上层的操作，比如要读取一页的数据，那么在发送完相关的读命令和等待时间之后，就会调用到你底层的 read_buf ，去 nand Flash 的 FIFO 中，一点点把我们要的数据，读取出来，放到我们制定的内存的缓存中去。写操作也是类似，将我们内存中的数据，写到 Nand Flash 的 FIFO 中去。具体的数据流向，参考上面的图 4 。

( 2 ) s3c2410_nand_select_chip ： 实现 Nand Flash 的片选。

( 3 ) s3c2410_nand_hwcontrol ：给底层发送命令或地址，或者设置具体操作的模式，都是通过此函数。

( 4 ) s3c2410_nand_devready ： Nand Flash 的一些操作，比如读一页数据，写入(编程)一页数据，擦除一个块，都是需要一定时间的，在命发送完成后，就是硬件开始忙着工作的时候了，而硬件什么时候完成这些操作，什么时候不忙了，变就绪了，就是通过这个函数去检查状态的。一般具体实现都是去读硬件的一个状态寄存器，其中某一位是否是 1 ，对应着是出于“就绪 / 不忙”还是“忙”的状态。这个寄存器，也就是我们前面分析时序图中的 R/B# 。

( 5 ) s3c2410_nand_enable_hwecc ： 在硬件支持的前提下，前面设置了硬件 ECC 的话，要实现这个函数，用于每次在读写操作前，通过设置对应的硬件寄存器的某些位，使得启用硬件 ECC ，这样在读写操作完成后，就可以去读取硬件校验产生出来的 ECC 数值了。

( 6 ) s3c2410_nand_calculate_ecc ：如果是上面提到的硬件 ECC 的话，就不用我们用软件去实现校验算法了，而是直接去读取硬件产生的 ECC 数值就可以了。

( 7 ) s3c2410_nand_correct_data ：当实际操作过程中，读取出来的数据所对应的硬件或软件计算出来的 ECC ，和从 oob 中读出来的 ECC 不一样的时候，就是说明数据有误了，就需要调用此函数去纠正错误。对于现在 SLC 常见的 ECC 算法来说，可以发现 2 位，纠正 1 位。如果错误大于 1 位，那么就无法纠正回来了。一般情况下，出错超过 1 位的，好像几率不大。至少我看到的不是很大。更复杂的情况和更加注重数据安全的情况下，一般是需要另外实现更高效和检错和纠错能力更强的 ECC 算法的。

当然，除了这些你必须实现的函数之外，在你更加熟悉整个框架之后，你可以根据你自己的 nand flash 的特点，去实现其他一些原先用系统默认但是效率不高的函数，而用自己的更高效率的函数替代他们，以提升你的 nand flash 的整体性能和效率。