nandflash 驱动分析

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 下一篇介绍NAND具体操作。 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 下一篇介绍NAND的硬件操作 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