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 Electronics\n");
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 %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, 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 Electronics\n");
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, nmtd, 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<span
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