关于NAND Flash调试的一点总结

很久没接触过 nandflash 驱动，最近工作又摸了，于是顺便整理总结一下。nandflash 在我看来算是比较落后的存储设备，所以文章里没有太多细节的东西，更多的是一些开发思路和经验，希望能帮助到有需要的人。

一、了解 nandflash 当前发展状况
什么是 nandflash？
nandflash 由许多保存位( bit )的单元( cell )组成，这些位通过电荷开启或关闭。这些开/关单元的组织方式表示存储在nandflash 上的数据。这些单元中的位数也决定了 nandflash 的命名，例如 Single Level Cell ( SLC ) nandflash 在每个单元中都包含一个位。MLC nandflash将每个单元的位数增加了一倍，而 TLC nandflash 则增加了三倍，这为更高容量的 nandflash 开辟了道路。

SLC 的优点是速度最快，最耐用，但缺点是价格昂贵，并且无法提供更高的存储容量。SLC 是企业使用的首选。与 SLC 相比，MLC 和 TLC 闪存的生产成本更低，存储容量更高，但要权衡相对较短的使用寿命和较慢的读/写速度。MLC 和 TLC 是日常消费计算机等个人用品的首选。

SLC \ MLC \ TLC nandflash 对照表：

为什么在嵌入式设备上 emmc 取代了 nandflash？

由于NAND Flash芯片的不同厂牌包括三星、KingMax、东芝(Toshiba)或海力士(Hynix)、美光(Micron)等，都需要根据每家公司的产品和技术特性来重新设计，过去并没有哪个技术能够通用所有厂牌的NAND Flash芯片。

而每次NAND Flash制程技术改朝换代，包括70纳米演进至50纳米，再演进至40纳米或30纳米制程技术，手机客户也都要重新设计（重新设计什么？因为你要通讯，就需要通讯的电压，时序，甚至接口命令，这些都随着不同厂商，不同制程技术而不同，你作为手机制造商或者soc厂商，想要把每种新的 nandflash 集成到你的产品中，就要根据这些新的特性来花时间设计。soc这边会有一个nandflash controller，你要根据采用的nandflash特性来配置nand flash controller，以达到成功通讯的目的）。

但半导体产品每1年制程技术都会推陈出新，存储器问题也拖累手机新机种推出的速度，因此像eMMC这种把所有存储器和管理nandflash的控制芯片都包在1颗MCP上的概念，逐渐风行起来。即：

NAND Flash 是一种存储介质，要在上面读写数据，外部要加主控和电路设计；
eMMC是NAND Flash+主控IC ，对外的接口协议与SD、TF卡类似；
emmc 内部根本的存储介质还是 nandflash，而不是一种全新的 storage。但是他定义并规范了统一接口比如：emmc 4.3, 4.4, 4.5(类似于usb 2.0, 3.0 这样的)， 把和 nand flash 的通讯封装在emmc内部，而提供给外部的接口就是 emmc 接口。同理， 外部，比如soc就需要有个 sdmmc controller， 并且宣布支持 emmc 4.3/4.4…，那么，你需要做的就是，根据选用的emmc的版本号，来给 sdmmc controller 来选择一个通讯的接口版本号4.4。

二、如何驱动一款NAND Flash？
参考：
《韦东山嵌入式Linux视频第一期-nandflash》

(一) 基础硬件知识
nandflash 是一个存储芯片，那么它应该能提供“读地址A的数据，把数据B写到地址A"的功能。

以Mini2440为例简单说明一下：

问1：原理图上 NAND FLASH 和 S3C2440 之间只有数据线，如何传输地址呢？

答1．在DATA0～DATA7上既传输数据，又传输地址，当ALE为高电平时传输的是地址。

问2：从NAND FLASH芯片手册可知，要读写NAND FLASH需要先发出命令，如何传入命令？
在DATA0～DATA7上既传输数据，又传输地址，也传输命令；
答2：
当ALE为高电平时传输的是地址；
当CLE为高电平时传输的是命令；
当ALE和CLE都为低电平时传输的是数据；

问3：数据线LDATAn既接到NAND FLASH，也接到NOR FLASH，还接到SDRAM、DM9000等等,cpu如何准确的将某个地址发到正确的芯片上而不干扰其他芯片呢？
答3：这些芯片，要访问之必须"选中"(即片选信号为低)，没有选中的芯片不会工作，相当于没接一样。

问4：假设烧写NAND FLASH，把命令、地址、数据发给它之后，NAND FLASH肯定不可能瞬间完成烧写的，怎么判断烧写完成？
答4：通过状态引脚RnB来判断：它为高电平表示就绪，它为低电平表示正忙。

问5：怎么操作NAND FLASH呢？
答5. 根据NAND FLASH的芯片手册，一般的过程是：
(1) 发出命令
(2) 发出地址
(3) 写数据/读数据
(4) 等待

(二) CPU nandflash 控制器章节导读
以三星 s5pv210 芯片为例，摘选一下我认为比较重要的点：

SLC nandflash一般是1bit ecc，对应的编解码的过程需阅读上述内容。

MLC nandflash 一般是8/12/16 bit ecc，对应的编解码的过程需阅读上述内容。

(三) nandflash 芯片手册导读
以镁光 nandflash 芯片为例，摘选一下我认为比较重要的点：

特性列表，一般位于芯片手册首页，可以帮助我们快速了解芯片特性，基本可以认为是最重要的信息。

不同芯片厂商的nandflash芯片引脚定义基本是一致的，但是可能会有1~2引脚是有差异，需要核对。

上图可用于确定nandflash的存储布局；

上图可用于核对芯片的型号和详细的硬件特性；

(四) nandflash 调试思路：
1.通读 CPU 芯片手册 nandflash 控制器章节：

• 了解该 CPU nandflash 控制器支持哪些特性，一般包括nandflash的bit数，以确定是否支持当前选用的nandflash芯片；- 明确该芯片的 nandflash 控制器 ecc 校验功能的工作流程；

2.通读 nandflash 芯片手册：

• 了解 nandflash 芯片的基本信息，例如ID、容量、类型(SLC/MLC) - 结合板子的原理图一起查看，以确定 CPU 和 nandflash 芯片的引脚连接是否正确。不同厂商（例如三星、镁光）生产的nandflash引脚不一定完全兼容，可能会有一两根引脚有差异；

3.在 U-boot 或者 Linux 下实现读取 nandflash 芯片的ID值的功能：nand_read_id()

• U-boot 和 Linux哪个顺手用哪个，U-boot的优点是启动快，做测试方便点，而 Linux的优点是支持网络/文件系统，功能强大；- 能读到 ID 只能说明 CPU 和 nandflash 芯片硬件连接上有了些许保障 (例如发命令、读数据)，但是某些隐蔽的错误硬件连接仍然会导致写数据异常；

4.在 U-boot 或者 Linux 下实现读取擦除 一块数据的功能：nand_erase_block()

• 相比起读写数据，擦除 nandflash 数据块较为容易。而且只有成功擦除了，才能进一步验证读写nandflash的功能。nandflash 数据块被擦除后所有数据均为 0xFF，利用这个特性可以验证稍后需要实现的读一页的操作是否正常；

5.在 U-boot 或者 Linux 下实现裸读一页数据( 不考虑ecc校验 )的功能：nand_read_page_raw()

• nandflash 的1页包括 main 区域和oob区域， main 区域用于保存用户数据，spare 区域用于保存 ecc校验码；- 一般说写一页数据时，需要结合上下文才能判断是写 main 区域还是写 main + spare 区域；- nandflash 一般需要ecc 校验功能来保证数据的安全，但是在前期调试阶段，我们可以不考虑ecc 校验直接实现裸读一页数据的功能。事实上，我们也无法考虑ecc 校验的功能，因为到现在为止还不能写数据到 nandflash的main区域，更别说写 ecc 校验码到oob区域；- 我们需要先实现读数据的功能，确保读数据功能的可靠后，待会才能用其来验证写数据的操作；

6.在 U-boot 或者 Linux 下实现裸写一页数据( 不考虑ecc校验 )的功能；nand_write_page_raw()- 裸写一页和裸读一页的操作可以相互协同验证；- uboot 的 cmp 命令可以对比两块内存的数据是否相同，该命令可以用于验证写操作是否成功；

7.在 U-boot 或者 Linux 下实现写一页数据到 main区域，并将 nandflash 控制器生成的 ecc 校验码填写到oob区域：nand_write_page()

• 写一页数据到 main 区域时，nandflash 控制器会生成 ecc 校验码，这些校验码就是用来保护这一页数据的；

8.在 U-boot 或者 Linux 下实现读一页数据的功能，包括读 main 区域的数据和 spare 区域的 ecc 校验码：nand_read_page()

• 从nandflash spare 区域读到的 ecc 校验码应该发送给 nandflash 控制器，nandflash 控制器会帮我们计算好是否有bit 错误，并且将结果和纠错需要用到的信息保存在寄存器中，软件通过寄存器里的信息推导出正确的数据；

9.由于bit 错误的问题不容易出现，所以在调试阶段需要人为制造出与 spare 区域 不匹配的 main 数据，以检验ecc 校验功能是否正常，即数据是否能被纠正，大体的思路是：

• 通过 nand_write_page() 写一页正确的数据到 main 区域 和 spare 区域；- 篡改在内存中的数据，然后通过 nand_write_page_raw() 将篡改后的数据填写到 main 区域，spare 区域保持不变；- 通过nand_read_page 读 一页数据，如果能执行纠错相关的代码，并且能获取到被篡改之前的数据，则说明校验功能是可以工作的；

10.如果 main 区域的 ecc 校验码字节数比较多，并且 spare 区域足够大的话，可以对存放在 spare 区域里的 main ecc校验码进行二次 ecc，这时生成的 ecc 校验码我将其称为 spare ecc，它一般会存放在spare区域的末尾，并不是必须的；

(五) Linux Nand Flash驱动
参考：
《韦东山嵌入式Linux视频第二期-nandflash》

Linux MTD stack

对于nandflash 驱动，需要重点关注的地方：

Flash memory abstraction layer/MTD layer	drivers/mtd/mtd*.c
Flash type abstration layer/NAND core	drivers/mtd/nand/nand_*.c
Flash controller drivers	drivers/mtd/nand/*_nand.c

NAND legacy stack( Linux-4.16 之前)

/dev/mtd0是nandflash设备的字符设备驱动节点，上图展示了 read("/dev/mtd0") 的底层实现(MTD layer->NAND core->Controller driver)。

NAND legacy stack 的弊端

• 无法执行细粒度的NAND Flash 命令，粒度的大小被限制在NAND core层面了；
• 芯片厂商更新的NAND Flash特性时需修改所有的Controller driver；

NAND new stack( Linux-4.16 之后)

将NAND 的控制逻辑下放到Controller driver层，NAND Core统一调用Controller driver提供的钩子函数：exec_op();

(六) 测试稳定性和性能
MTD tests support

• mtd_nandecctest.ko：nand flash的ECC校验测试
• mtd_pagetest.ko：nand flash的page读写测试
• mtd_speedtest.ko：MTD分区的读写速度测试
• mtd_subpagetest.ko：nand flash的sub-page接口测试
• mtd_oobtest.ko：nand falsh的OOB区域读写测试
• mtd_readtest.ko：读取整个MTD分区
• mtd_stresstest.ko：随机读写，擦除操作测试
• mtd_torturetest.ko：该功能可用于做稳定性或者寿命测试，随机操作直到发生错误
  示例如下：

insmod mtd_stresstest.ko dev=9 count=1000
[ 3289.273771] =================================================
[ 3289.279826] mtd_stresstest: MTD device: 9
[ 3289.284079] mtd_stresstest: MTD device size 268435456, eraseblock size 131072, page size 2048, count of eraseblocks 2048, pages per eraseblock 64, OOB size 64
[ 3289.303250] mtd_stresstest: scanning for bad eraseblocks
[ 3289.420267] mtd_stresstest: scanned 2048 eraseblocks, 0 are bad
[ 3289.426534] mtd_stresstest: doing operations
[ 3289.431031] mtd_stresstest: 0 operations done  
[ 3339.606972] mtd_stresstest: finished, 1000 operations done  
[ 3339.612992] =================================================

一个反复读写并校验数据正确性的小脚本：

#!/bin/sh

rm -rf /media/local/
count=1
while [ ${count} -lt 600 ]; do
    TSTAMP="`date`  | ---> ${count}"
    echo "$TSTAMP"
    mkdir -p /media
    time cp /usr/local /media/ -raf
    diff /usr/local /media/local -r || exit -1
    rm -rf /media/local;
    sync

    let count=${count}+1
done

三、NAND Flash 文件系统的选择：YAFFS2
参考：
《基于nand flash的文件系统的整理》
《Cramfs、JFFS2、YAFFS2的全面对比》

针对 nandflash 特点优化其性能以及克服其缺点

1.nanflash 不是通常意义上的块设备，块设备的特点是可以对数据块进行读、写操作（如磁盘，文件系统等），但是对于nanflash 来说有三种操作分别是：读、写、擦除。只有对已擦除的块才能进行写操作。所以为了使其兼容传统的硬件和系统，需要对其进行特殊处理；

2.当一个闪存处在干净状态时（被擦除过，但是还没有写操作发生），这块flash上的每一位（bit）都是逻辑1；

3.闪存的使用寿命是有限的，具体来说，闪存的使用寿命是由擦除块的最大可擦除次数来决定的。超过了最大可擦除次数，这个擦除块就成为坏块（bad block）了。因此要避免某个擦除块被过度使用，以至于先于其他擦除块变成坏块，应该在尽量少影响性能的前提下，使擦写操作均匀分布在每个擦除块上，叫做损耗均衡（wear leveling）。

YAFFS意为「Yet Another Flash File System」，是目前唯一一个专门为NAND Flash设计的文件系统。它采用了类日志结构，结合NAND Flash的特点，提供了损耗平衡和掉电保护机制，可以有效地避免意外掉电对文件系统一致性和完整性的影响。

nanflash 和 YAFFS2之间是如何配合的？
通过分析mkyaffs2iamge.c可知：

• yaffs2 映像文件是由一个个的main(4096) + spare(224)数据组成；
• main里存放的是文件(包括目录、普通文件、特殊文件等)数据；
• spare里前面的nand_oobinfo->oobfree(2+22=24)个字节归yaffs2自由使用，然后接下来的nand_oobinfo->eccbytes(104)个字节都填0xFF，即yaffs2 images本身是不含有ecc校验码的；（以上数值跟实际nandflash芯片相关）
  更多细节：
  how-yaffs-works[1]

参考资料
[1]
YAFF2官网: https://yaffs.net/documents/how-yaffs-works