NandFlash驱动超详细分析
找不到原文出处了。。。
----------------------------------------------------------------- 今天学习了NandFlash的驱动,硬件操作非常简单,就是这个linux下的驱动比较复杂,主要还是MTD层的问题,用了一下午时间整理出来一份详细的分析,只是分析函数结构和调用关系,具体代码实现就不看了,里面有N个结构体,搞得我头大。 ? 我用linux2.6.25内核,2440板子,先从启动信息入手。 内核启动信息,NAND部分: S3C24XX NAND Driver,(c) 2004 Simtec Electronics 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函数: printk("S3C24XX NAND Driver,(c) 2004 Simtec Electronicsn"); ? 行二行,同一文件,第212行,s3c2410_nand_inithw函数: dev_info(info->device,"Tacls=%d,%dns Twrph0=%d %dns,Twrph1=%d %dnsn",tacls,to_ns(tacls,clkrate),twrph0,to_ns(twrph0,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函数: Printk(KERN INFO " Scanning device for bad blocks n"); ? 第五行,在driver/mtd/mtdpart.c中第340行,add_mtd_partitions函数: printk (KERN_NOTICE "Creating %d MTD partitions on "%s":n",nbparts,master->name); ? 下面三行,是flash分区表,也在mtdpart.c同一函数中,第430行: printk (KERN_NOTICE "0x%08x-0x%08x : "%s"n",slave->offset,slave->offset + slave->mtd.size,slave->mtd.name); ? MTD体系结构: 在linux中提供了MTD(Memory Technology Device,内存技术设备)系统来建立Flash针对linux的统一、抽象的接口 引入MTD后,linux系统中的Flash设备驱动及接口可分为4层: 设备节点 MTD设备层 MTD原始设备层 硬件驱动层 ? 硬件驱动层:Flash硬件驱动层负责底层硬件设备实际的读、写、擦除,Linux MTD设备的NAND型Flash驱动位于driver/mtd/nand子目录下 s3c2410对应的nand Flash驱动为s3c2410.c MTD原始设备层:MTD原始设备层由两部分构成,一部分是MTD原始设备的通用代码,另一部分是各个特定Flash的数据,比如分区 主要构成的文件有: drivers/mtd/mtdcore.c 支持mtd字符设备 driver/mtd/mtdpart.c? 支持mtd块设备 MTD设备层:基于MTD原始设备,Linux系统可以定义出MTD的块设备(主设备号31) 和字符设备(设备号90),构成MTD设备层 ? 简单的说就是:使用一个mtd层来作为具体的硬件设备驱动和上层文件系统的桥梁。mtd给出了系统中所有mtd设备(nand,nor,diskonchip)的统一组织方式。 ? mtd层用一个数组struct mtd_info *mtd_table[MAX_MTD_DEVICES]保存系统中所有的设备,mtd设备利用struct mtd_info 这个结构来描述,该结构中描述了存储设备的基本信息和具体操作所需要的内核函数,mtd系统的那个机制主要就是围绕这个结构来实现的。结构体在include/linux/mtd/mtd.h中定义: struct mtd_info { u_char type;????????? ??//MTD 设备类型 u_int32_t flags;??? ????//MTD设备属性标志 u_int32_t size; ????????//标示了这个mtd设备的大小 u_int32_t erasesize; ???//MTD设备的擦除单元大小,对于NandFlash来说就是Block的大小 u_int32_t oobblock;? ????//oob区在页内的位置,对于512字节一页的nand来说是512 u_int32_t oobsize;?? ???//oob区的大小,对于512字节一页的nand来说是16 u_int32_t ecctype;????? //ecc校验类型 u_int32_t eccsize; ?????//ecc的大小 ? char *name;???????????? //设备的名字 int index;????????????? //设备在MTD列表中的位置 ? struct nand_oobinfo oobinfo; //oob区的信息,包括是否使用ecc,ecc的大小 ? //以下是关于mtd的一些读写函数,将在nand_base中的nand_scan中重载 int (*erase) int (*read) int (*write) int (*read_ecc) int (*write_ecc) int (*read_oob) int (*read_oob) ? void *priv;//设备私有数据指针,对于NandFlash来说指nand芯片的结构 ? 下面看nand_chip结构,在include/linux/mtd/nand.h中定义: struct nand_chip { void? __iomem?? *IO_ADDR_R;? ??//这是nandflash的读写寄存器 void? __iomem???? *IO_ADDR_W;? //以下都是nandflash的操作函数,这些函数将根据相应的配置进行重载 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,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的校验模式(软件,硬件) int? ?????chip_delay;? //芯片时序延迟参数 int?????? page_shift;? //页偏移,对于512B/页的,一般是9 u_char??? *data_buf; ??//数据缓存区 ? 跟NAND操作相关的函数: 1、 nand_base.c: 定义了NAND驱动中对NAND芯片最基本的操作函数和操作流程,如擦除、读写page、读写oob等。当然这些函数都只是进行一些常规的操作,若你的系统在对NAND操作时有一些特殊的动作,则需要在你自己的驱动代码中进行定义。 2、 nand_bbt.c: 定义了NAND驱动中与坏块管理有关的函数和结构体。 3、 nand_ids.c: 定义了两个全局类型的结构体:struct nand_flash_dev nand_flash_ids[ ]和struct nand_manufacturers nand_manuf_ids[ ]。其中前者定义了一些NAND芯片的类型,后者定义了NAND芯片的几个厂商。NAND芯片的ID至少包含两项内容:厂商ID和厂商为自己的NAND芯片定义的芯片ID。当NAND加载时会找这两个结构体,读出ID,如果找不到,就会加载失败。 4、 nand_ecc.c: 定义了NAND驱动中与softeware ECC有关的函数和结构体,若你的系统支持hardware ECC,且不需要software ECC,则该文件也不需理会。 ? 我们需要关心的是/nand/s3c2410,这个文件实现的是s3c2410/2440nandflash控制器最基本的硬件操作,读写擦除操作由上层函数完成。 s3c2410.c分析: 首先看一下要用到的结构体的注册: struct s3c2410_nand_mtd { ??? struct mtd_info????? mtd;?? //mtd_info的结构体 ??? struct nand_chip???? chip;? //nand_chip的结构体 ??? struct s3c2410_nand_set???? *set; ??? struct s3c2410_nand_info ?? *info; ??? int?????????? scan_res; }; ? enum s3c_cpu_type {? //用来枚举CPU类型 ??? 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; }; ? 设备的注册: static int __init s3c2410_nand_init(void) { ??? printk("S3C24XX NAND Driver,(c) 2004 Simtec Electronicsn"); ? ??? platform_driver_register(&s3c2412_nand_driver); ??? platform_driver_register(&s3c2440_nand_driver); ??? return platform_driver_register(&s3c2410_nand_driver); } platform_driver_register向内核注册设备,同时支持这三种CPU。 &s3c2440_nand_driver是一个platform_driver类型的结构体: ? 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, ??? }, }; ? 最主要的函数就是s3c2440_nand_probe,(调用s3c24XX_nand_probe),完成对nand设备的探测, 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,其中调用函数:*/ ?????? s3c2410_nand_init_chip(info,nmtd,sets); ?????? /*init_chip结束后,调用nand_scan完成对flash的探测及mtd_info读写函数的赋值*/ nmtd->scan_res = nand_scan(&nmtd->mtd,(sets) ? sets->nr_chips : 1); ?????? if (nmtd->scan_res == 0) { ?????????? s3c2410_nand_add_partition(info,sets); ?????? } } Nand_scan是在初始化nand的时候对nand进行的一步非常好重要的操作,在nand_scan中会对我们所写的关于特定芯片的读写函数重载到nand_chip结构中去,并会将mtd_info结构体中的函数用nand的函数来重载,实现了mtd到底层驱动的联系。 并且在nand_scan函数中会通过读取nand芯片的设备号和厂家号自动在芯片列表中寻找相应的型号和参数,并将其注册进去。 ? ? 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; ??? /*以下都是对chip赋值,对应nand_chip中的函数*/ ??? chip->write_buf??? = s3c2410_nand_write_buf;? //写buf ??? chip->read_buf???? = s3c2410_nand_read_buf;?? //读buf ??? chip->select_chip? = s3c2410_nand_select_chip;//片选 ??? 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;? //数据寄存器 ?????? 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;? //设备就绪 ?????? chip->read_buf? = s3c2440_nand_read_buf;? //读buf ?????? chip->write_buf?? = s3c2440_nand_write_buf;//写buf ?????? break; ? ? } ??? chip->IO_ADDR_R = chip->IO_ADDR_W; //读写寄存器都是同一个 ??? nmtd->info ?? = info; ??? nmtd->mtd.priv??? ?? = chip; //私有数据指针指向chip ??? nmtd->mtd.owner??? = THIS_MODULE; ??? nmtd->set? ?? = set; ??? /*后面是和ECC校验有关的,省略*/ } ? 初始化后,实现对nand的基本硬件操作就可以了,包括以下函数: s3c2410_nand_inithw? //初始化硬件,在probe中调用 s3c2410_nand_select_chip? //片选 s3c2440_nand_hwcontrol? //硬件控制,其实就是片选 s3c2440_nand_devready? //设备就绪 s3c2440_nand_enable_hwecc? //使能硬件ECC校验 s3c2440_nand_calculate_ecc? //计算ECC s3c2440_nand_read_buf? s3c2440_nand_write_buf ? 注册nand设备到MTD原始设备层:(这个函数由probe调用) #ifdef CONFIG_MTD_PARTITIONS?? //如果定义了MTD分区 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 注册设备用这两个函数: add_mtd_device? //如果nand整体不分区,用这个, //该函数在mtdcore.c中实现 add_mtd_partitions? //如果nand是分区结构,用这个, //该函数在mtdpart.c中实现 同样,注销设备也有两个函数: del_mtd_device del_mtd_partitions ? NandFlash还有一个分区表结构体,mtd_partition,这个是在arch/arm/plat-s3c24XX/common-smdk.c中定义的。 ? 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, }; 记录了当前的nand flash有几个分区,每个分区的名字,大小,偏移量是多少 系统就是依靠这些分区表找到各个文件系统的 这些分区表nand中的文件系统没有必然关系,分区表只是把flash分成不同的部分 ? 如果自己编写一个nandflash驱动,只需要填充这三个结构体: Mtd_info???? nand_chip???? mtd_partition 并实现对物理设备的控制,上层的驱动控制已由mtd做好了,不需要关心 ? ? 2410NandFlash控制器 管脚配置 D[7:0]: DATA0-7 数据/命令/地址/的输入/输出口(与数据总线共享) CLE : GPA17? 命令锁存使能 (输出) ALE : GPA18? 地址锁存使能(输出) nFCE : GPA22 NAND Flash 片选使能(输出) nFRE : GPA20 NAND Flash 读使能 (输出) nFWE : GPA19 NAND Flash 写使能 (输出) R/nB : GPA21 NAND Flash 准备好/繁忙(输入) ? 相关寄存器: 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解码器/编码器??? 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?? 持续时间 = HCLK*(TACLS+1) ?[6:4] TWRPH0 ?[2:0] TWRPH1 ? NFCMD? 命令设置寄存器 ?[7:0] 命令值 NFADDR 地址设置寄存器 ?[7:0] 存储器地址 NFDATA 数据寄存器 ?[7:0] 存放数据 NFSTAT 状态寄存器 ?[0]??? 0 = 存储器忙???? 1 = 存储器准备好 NFECC? ECC寄存器 ?[23:16]ECC校验码2 ?[15:8] ECC校验码1 ?[8:0]? ECC校验码0 ? 写操作: 写入操作以页为单位。写入必须在擦除之后,否则写入将出错。 页写入周期中包括以下步骤: 写入串行数据输入指令(80h)。然后写入4个字节的地址,最后串行写入数据(528Byte)。串行写入的数据最多为528byte。 串行数据写入完成后,需要写入“页写入确认”指令10h,这条指令将初始化器件内部写入操作。 10h写入之后,nand flash的内部写控制器将自动执行内部写入和校验中必要的算法和时序, 系统可以通过检测R/B的输出,或读状态寄存器的状态位(I/O 6)来判断内部写入是否结束 ? 擦除操作: 擦除操作时以块(16K Byte)为单位进行的 擦除的启动指令为60h,随后的3个时钟周期是块地址。其中只有A14到A25是有效的,而A9到A13是可以忽略的。 块地址之后是擦除确认指令D0h,用来开始内部的擦除操作。 器件检测到擦除确认命令后,在/WE的上升沿启动内部写控制器,开始执行擦除和擦除校验。内部擦除操作完成后,应该检测写状态位(I/O 0),从而了解擦除操作是否成功完成。 ? 读操作有两种读模式: 读方式1用于读正常数据; 读方式2用于读附加数据 在初始上电时,器件进入缺省的“读方式1模式”。在这一模式下,页读取操作通过将00h指令写入指令寄存器,接着写入3个地址(一个列地址和2个行地址)来启动。一旦页读指令被器件锁存,下面的页操作就不需要再重复写入指令了。 写入指令和地址后,处理器可以通过对信号线R//B的分析来判断该才作是否完成。 外部控制器可以再以50ns为周期的连续/RE脉冲信号的控制下,从I/O口依次读出数据 备用区域的从512到527地址的数据,可以通过读方式2指令进行指令进行读取(命令为50h)。地址A0~A3设置了备用区域的起始地址,A4~A7被忽略掉 ? 时序要求: 写地址、数据、命令时,nCE、nWE信号必须为低电平,它们在nWE信号的上升沿被锁存。命令锁存使能信号CLE和地址锁存信号ALE用来区分I/O引脚上传输的是命令还是地址。 ? 寻址方式: NAND Flash的寻址方式和NAND Flash的memory组织方式紧密相关。NAND Flash的数据以bit的方式保存在memory cell,一个cell中只能存储一个bit。这些cell以8个或者16个为单位,连成bit line,形成byte(x8)/word(x16),这就是NAND的数据宽度。 ?????? ?????? 这些Line会再组成Page,典型情况下:通常是528Byte/page或者264Word/page。然后,每32个page形成一个Block,Sizeof(block)=16.5kByte。其中528Byte = 512Byte+16Byte,前512Byte为数据区,后16Byte存放数据校验码等,因此习惯上人们称1page有512个字节,每个Block有16Kbytes; ????? 现在在一些大容量的FLASH存贮设备中也采用以下配置:2112 Byte /page 或 1056 Word/page;64page/Block;Sizeof(block) = 132kByte;同上:2112 = 2048 +64,人们习惯称一页含2k个字节,一个Block含有64个页,容量为128KB; ? ?????? Block是NAND Flash中最大的操作单元,擦除可以按照block或page为单位完成,而编程/读取是按照page为单位完成的 。 ?????? 所以,按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址: ???????? -Block? Address?? 块地址 ???????? -Page?? Address?? 页地址 ???????? -Column Address? 列地址 ??? ? 首先,必须清楚一点,对于NAND Flash来讲,地址和命令只能在I/O[7:0]上传递,数据宽度可以是8位或者16位,但是,对于x16的NAND Device,I/O[15:8]只用于传递数据。 ??? 清楚了这一点,我们就可以开始分析NAND Flash的寻址方式了。 以528Byte/page 总容量64M Byte+512kbyte的NAND器件为例: 因为 1page=528byte=512byte(Main Area)+16byte(Spare Area) 1block=32page = 16kbyte 64Mbyte = 4096 Block ? 用户数据保存在main area中。 512byte需要9bit来表示,对于528byte系列的NAND,这512byte被分成1st half和2nd half,各自的访问由所谓的pointer operation命令来选择,也就是选择了bit8的高低。因此A8就是halfpage pointer,A[7:0]就是所谓的column address。 ? 32个page需要5bit来表示,占用A[13:9],即该page在块内的相对地址。 Block的地址是由A14以上的bit来表示,例如64MB的NAND,共4096block,因此,需要12个bit来表示,即A[25:14],如果是1Gbit的528byte/page的NAND Flash,共8192个block,则block address用A[30:14]表示。 ? NAND Flash的地址表示为: Block Address? |? Page Address in block? |? half page pointer | ?Column Address 地址传送顺序是Column Address,Page Address,Block Address。 ? 例如一个地址:0x00aa55aa ? ?????? 0000 0000? 1010? 1010? 0101 ?0101 ?1010 ?1010 ? 由于地址只能在I/O[7:0]上传递,因此,必须采用移位的方式进行。 例如,对于64MBx8的NAND flash,地址范围是0~0x3FF_FFFF,只要是这个范围内的数值表示的地址都是有效的。 ?????? ?????? 以NAND_ADDR为例: ?????? 第1步是传递column address,就是NAND_ADDR[7:0],不需移位即可传递到I/O[7:0]上,而halfpage pointer即bit8是由操作指令决定的,即指令决定在哪个halfpage上进行读写,而真正的bit8的值是don't care的。 ?????? 第2步就是将NAND_ADDR右移9位,将NAND_ADDR[16:9]传到I/O[7:0]上; ?????? 第3步将NAND_ADDR[24:17]放到I/O上; ?????? 第4步需要将NAND_ADDR[25]放到I/O上; ?????? 因此,整个地址传递过程需要4步才能完成,即4-step addressing。 ?????? 如果NAND Flash的容量是32MB以下,那么,block adress最高位只到bit24,因此寻址只需要3步。 (编辑:李大同) 【声明】本站内容均来自网络,其相关言论仅代表作者个人观点,不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利,请及时与联系站长删除相关内容! |