linux MTD FALSH管理设计

由于loader升级需要使用flash来保存数据，但在android系统上又没有合适的接口使用，因此
对MTD接口设计研究了一下并移植了flash管理代码，有些心得记录一下。


专有名词：
1． MTD：Memory Technology Device，内存技术设备，
2． JEDEC：Joint Electron Device Engineering Council，电子电器设备联合会
3． CFI：Common Flash Interface，通用Flash接口，Intel发起的一个Flash的接口标准
4． OOB： out of band，某些内存技术支持out-of-band数据——例如，NAND flash每512字节的块有16个字节的extra data，用于纠错或元数据。
5． ECC： error correction，某些硬件不仅允许对flash的访问，也有ecc功能，所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下，一个比特位会发生反转或被报告反转了，如果此位真的反转了，就要采用ECC算法。
6． erasesize： 一个erase命令可以擦除的最小块的尺寸
7． buswidth：MTD设备的接口总线宽度
8． interleave：交错数，几块芯片平行连接成一块芯片，使buswidth变大
9． devicetype：芯片类型，x8、x16或者x32
10．NAND：一种Flash技术，参看NAND和NOR的比较
11．NOR：一种Flash技术，参看NAND和NOR的比较


1、概述
   MTD就在在硬件和文件系统层之间的提供了一个抽象的接口，MTD是用来访问内存设备（如：ROM、flash）的中间层，它将内存设备的共有特性抽取出来，从而使增加新的内存设备驱动程序变得更简单。本文件就是利用MTD来编写上层管理flash程序接口.
   

   MTD中间层细分为四层，按从上到下依次为：设备节点、MTD设备层、MTD原始设备层和硬件驱动层

   

   MTD设备层、MTD原始设备层和Flash硬件驱动层之间的接口关系如下图:
     

2、几个重要的数据结构：


/* Parse the contents of the file, which looks like: */
cat /proc/mtd
dev:    size   erasesize  name
mtd0: 00400000 00100000 "logo"
mtd1: 01e00000 00100000 "cache"
mtd2: 00100000 00100000 "misc"
mtd3: 00700000 00100000 "kernel"
mtd4: 0b400000 00100000 "system"
mtd5: 10e00000 00100000 "userdata"
mtd6: 01300000 00100000 "factorydata"
mtd7: 00100000 00100000 "blackbox"


打开 "/proc/mtd" 文件即可解析出MTD分区信息，从这里可以知道MTD数目，SIZE，擦写块大小及DEV NAME


ls -l /dev/mtd/mtd* [partition_info]
crw------- root     root      90,  15 1970-01-01 08:00 mtd7ro
crw------- root     root      90,  14 1970-01-01 08:00 mtd7
crw------- root     root      90,  13 1970-01-01 08:00 mtd6ro
crw------- root     root      90,  12 1970-01-01 08:00 mtd6
crw------- root     root      90,  11 1970-01-01 08:00 mtd5ro
crw------- root     root      90,  10 1970-01-01 08:00 mtd5
crw------- root     root      90,   9 1970-01-01 08:00 mtd4ro
crw------- root     root      90,   8 1970-01-01 08:00 mtd4
crw------- root     root      90,   7 1970-01-01 08:00 mtd3ro
crw------- root     root      90,   6 1970-01-01 08:00 mtd3
crw------- root     root      90,   5 1970-01-01 08:00 mtd2ro
crw------- root     root      90,   4 1970-01-01 08:00 mtd2
crw------- root     root      90,   3 1970-01-01 08:00 mtd1ro
crw------- root     root      90,   2 1970-01-01 08:00 mtd1
crw------- root     root      90,   1 1970-01-01 08:00 mtd0ro
crw------- root     root      90,   0 1970-01-01 08:00 mtd0
可看出每个mtd设备有两个：一个是RW设备，另一个的RO，一般使用不带ro后缀的设备


mtd_info数据结构
struct mtd_info_user {
unsigned char type;  //内存技术类型，例如MTD_RAM,MTD_ROM,MTD_NORFLASH,MTD_NAND_FLASH,MTD_PEROM等  
unsigned long flags; //标志位
unsigned long size;  // Total size of the MTD//MTD设备的大小  
unsigned long erasesize; //最小的擦除块大小  
unsigned long writesize; //编程块大小
unsigned long oobsize;   // Amount of OOB data per block (e.g. 16)//oob(Out of band)块大小
unsigned long ecctype;   // Available OOB bytes per block//每块的可用的oob字节  
unsigned long eccsize;   
};
#define MEMGETINFO _IOR('M', 1, struct mtd_info_user)

sprintf(MTD_DevName, "/dev/mtd/mtd%d", i);

可以open(MTD_DevName,O_RDWR)设备，利用ioctl(fd, MEMGETINFO, &mtdinfo);获取MTD信息
根据以上可以换算得到某个分区的起始地址及终止地址


//分区结构信息  
struct mtd_part {  
    struct mtd_info mtd;//mtd_info数据结构，会被加入mtd_table中  
    struct mtd_info *master;//该分区的主分区  
    uint64_t offset;//该分区的偏移地址  
    struct list_head list;//分区链表  
}; 


mtd_partition描述mtd具体分区结构
struct mtd_partition {  
    char *name;         /* identifier string 分区名*/  
    uint64_t size;          /* partition size 分区大小*/  
    uint64_t offset;        /* offset within the master MTD space 偏移地址*/  
    uint32_t mask_flags;        /* master MTD flags to mask out for this partition */  
    struct nand_ecclayout *ecclayout;   /* out of band layout for this partition (NAND only)*/  
};  


ls -l /dev/block/ [mount_partition]


brw------- root     root      31,   7 1970-01-01 08:00 mtdblock7
brw------- root     root      31,   6 1970-01-01 08:00 mtdblock6
brw------- root     root      31,   5 1970-01-01 08:00 mtdblock5
brw------- root     root      31,   4 1970-01-01 08:00 mtdblock4
brw------- root     root      31,   3 1970-01-01 08:00 mtdblock3
brw------- root     root      31,   2 1970-01-01 08:00 mtdblock2
brw------- root     root      31,   1 1970-01-01 08:00 mtdblock1
brw------- root     root      31,   0 1970-01-01 08:00 mtdblock0


这里一般用于mount结点使用，不同的文件系统使用


3、读写数据及擦写数据
基本上就是利用lseek/write/read进行操作数据，需要注意是坏块及oob数据的处理并且按照块设备操作逻辑即可。

4、坏块情况
1.为什么会出现坏块
　   由于NAND Flash的工艺不能保证NAND的Memory Array在其生命周期中保持性能的可靠，因此，在NAND的生产中及使用过程中会产生坏块。坏块的特性是：当编程/擦除这个块时，会造成Page Program和Block Erase操作时的错误，相应地反映到Status Register的相应位。
2.坏块的分类
　  总体上，坏块可以分为两大类：（1）固有坏块：这是生产过程中产生的坏块，一般芯片原厂都会在出厂时都会将每个坏块第一个page的spare area的第6个byte标记为不等于0xff的 值。（2）使用坏块：这是在NAND Flash使用过程中，如果Block Erase或者Page Program错误，就可以简单地将这个块作为坏块来处理，这个时候需要把坏块标记起来。为了和固有坏块信息保持一致，将新发现的坏块的第一个page的 spare area的第6个Byte标记为非0xff的值。
3.坏块管理
　   根据上面的这些叙述，可以了解NAND Flash出厂时在spare area中已经反映出了坏块信息，因此， 如果在擦除一个块之前，一定要先check一下第一页的spare area的第6个byte是否是0xff，如果是就证明这是一个好块，可以擦除；如果是非0xff，那么就不能擦除，以免将坏块标记擦掉。 当然，这样处理可能会犯一个错误―――“错杀伪坏块”，因为在芯片操作过程中可能由于 电压不稳定等偶然因素会造成NAND操作的错误。但是，为了数据的可靠性及软件设计的简单化，还是需要遵照这个标准。
      可以用BBT：bad block table，即坏块表来进行管理。各家对nand的坏块管理方法都有差异。比如专门用nand做存储的，会把bbt放到block0，因为第0块一定是好 的块。但是如果nand本身被用来boot，那么第0块就要存放程序，不能放bbt了。 有的把bbt放到最后一块，当然，这一块坚决不能为坏块。 bbt的大小跟nand大小有关，nand越大，需要的bbt也就越大。
      需要注意的是：OOB是每个页都有的数据，里面存的有ECC（当然不仅仅）；而BBT是一个FLASH才有一个；针对每个BLOCK的坏块识别则是该块第一页spare area的第六个字节。 
4.坏块纠正
      ECC： NAND Flash出错的时候一般不会造成整个Block或是Page不能读取或是全部出错，而是整个Page（例如512Bytes）中只有一个或几个bit出 错。一般使用一种比较专用的校验——ECC。ECC能纠正单比特错误和检测双比特错误，而且计算速度很快，但对1比特以上的错误无法纠正，对2比特以上的 错误不保证能检测。
      ECC一般每256字节原始数据生成3字节ECC校验数据，这三字节共24比特分成两部分：6比特的列校验和16比特的行校验，多余的两个比特置1。（512生成两组ECC，共6字节） 

      当往NAND Flash的page中写入数据的时候，每256字节我们生成一个ECC校验和，称之为原ECC校验和，保存到PAGE的OOB （out- of-band）数据区中。其位置就是eccpos[]。校验的时候，根据上述ECC生成原理不难推断：将从OOB区中读出的原ECC校验和新ECC校验 和按位异或，若结果为0，则表示不存在错（或是出现了ECC无法检测的错误）；若3个字节异或结果中存在11个比特位为1，表示存在一个比特错误，且可纠 正；若3个字节异或结果中只存在1个比特位为1，表示OOB区出错；其他情况均表示出现了无法纠正的错误。