基于MTD的NANDFLASH设备驱动底层实现原理分析 一
一、MTD体系结构：Linux内核提供MTD子系统来建立FLASH针对Linux的统一、抽象接口。MTD将文件系统与底层的FLASH存储器进行隔离。
引入MTD后Linux系统中对FLASH的设备驱动分为4层
设备节点：用户在/dev目录下使用mknod命令建立MTD字符设备节点(主设备号为90)，或者MTD块设备节点(主设备号为31)，使用该设备节点即可访问MTD设备。
MTD设备层：基于MTD原始设备层，系统将MTD设备可以定义为MTD字符(在/mtd/mtdchar.c中实现,设备号90)和MTD块设备(在/mtd/mtdblock.c中实现,设备号31)。
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，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
Flash硬件驱动层： Flash硬件驱动层负责对Flash硬件的读、写和擦除操作。MTD设备的Nor Flash芯片驱动位于drivers/mtd/chips/子目录下，Nand Flash芯片的驱动则位于drivers/mtd/nand/子目录下。
二、Linux内核中基于MTD的NANDFLASH驱动代码布局：
三、NANDFLASH的硬件特性
要想读懂后面Linux系统中对NANDFLASH硬件驱动代码,了解NANDFLASH的硬件特性这是再好不过的。
1、NANDFLASH的内部布局
2、Nand Flash的物理存储单元的阵列组织结构(以开发板上的K9F2G08为例)
K9F2G08的大小是256M
a)block:"Block是Nand Flash的擦除操作的基本/最小单位",一片NANDFLASH(chip)由很多块
(block)组成,块的大小一般是 128KB， 256KB，512KB，此处是 128KB。。其他的小于 128KB 的，
比如 64KB称之为small block的Nand Flash。
b)page:"page是读写操作的最小单位",每一个block里面包又含了许多page(页),每个页的大小，
对于现在常见的Nand Flash多数是2KB，最新的Nand Flash的是4KB、8KB等，这类的页大小大于
2KB的NandFlash，被称作 big block的 Nand Flash，对应的发读写命令地址，一共 5个周期(cycle)，
而老的 Nand Flash，页大小是 256B，512B，，这类的 Nand Flash被称作 small block的nandflash
地址周期只有4个。
c)oob:每一个页，对应还有一块区域，叫做空闲区域（spare area）/冗余区域(redundant area)而
Linux 系统中，一般叫做 OOB（Out Of Band），这个区域，是最初基于Nand Flash的硬件特
性：数据在读写时候相对容易错误，所以为了保证数据的正确性，必须要有对应的检测和纠
错机制，此机制被叫做 EDC(Error Detection Code)/ECC（Error Code Correction, 或者 Error
Checking and Correcting），所以设计了多余的区域，用于放置数据的校验值。
Oob 的读写操作，一般是随着页的操作一起完成的，即读写页的时候，对应地就读写了 oob。
关于 oob具体用途，总结起来有：
1、 标记是否是坏快
2、存储ECC数据
3、存储一些和文件系统相关的数据。如 jffs2 就会用到这些空间存储一些特定信息，
4、而yaffs2 文件系统，会在 oob中，存放很多和自己文件系统相关的信息。
3、K9F2G08的引脚定义
IO7~IO0:用于输入地址/数据/命令，输出数据。
CLE：命令锁存使能位,在发送命令之前要先将模式寄存器中设置CLE使能(高电平有效)。
ALE：地址锁存使能位,在发送地址之前,要先将模式寄存器中设置ALE使能(高电平有效)。
CE：(nFCE)芯片的片选信号,操作nandflash前应该拉低该位使之选中该芯片。
RE：(nFRE)读使能,低电平有效,读之前使CE有效。
WE：(nFWE)写使能,低电平有效,写之前必须使WE有效。
WP：写保护低电平有效
R/B：(R/nB)Ready/Busy Output,就绪/忙,主要用于在发送完编程/擦除命令后,检测这些操作是
否完成,忙,表示编程/擦除操作仍在进行中,就绪表示操作完成。(其中就绪：高电平,忙：低电平)。
四、常见的NANDFLASH的操作
1、要实现对 Nand Flash 的操作，比如读取一页的数据，写入一页的数据等，都要发送对应的命令，而且要符合硬件的规定，如图：
比如说要实现读一页的数据,就要发送Read命令,而且分两个周期发送,即分两次发送对应的命令,第一次是 0x00h,第二次是 0x30h，而两次命令中间，需要发送对应的你所要读取的页的地址，对应地，其他常见的一些操作，比如写一个页的数据(Page Program)，就是先发送 0x80h,然后发送要写入的地址，再发送0x10h。
2、读(Read)nandflash操作过程分析
1)红色竖线穿过的第一行，是 CLE。前面介绍命令所存使能(CLE)的那个引脚将CLE 置 1，就说明你将要通过 I/O 复用端口发送进入Nand Flash的，是命令，而不是地址或者其他类型的数据。只有这样将 CLE 置 1，使其有效，才能去通知了内部硬件逻辑，你接下来将收到的是命令，内部硬件逻辑才会直到收到的是命令，放到命令寄存器中，才能实现后面正确的操作，否则，不去将 CLE 置 1使其有效硬件会无所适从，不知道你传入的到底是数据还是命令了。
2)而第二行，是 CE，那一刻的值是 0。这个道理很简单，你既然要向Nand Flash发命令，那么先要选中它，所以，要保证 CE为低电平，使其有效，也就是片选有效。
3)第三行是 WE，意思是写使能。因为接下来是往 Nand Flash里面写命令，所以，要使得 WE有效所以设为低电平。
4)第四行，是 ALE 是低电平，而 ALE 是高电平有效，此时意思就是使其无效。而对应地，前面介绍的使 CLE 有效，因为将要数据的是命令(此时是发送图示所示的读命令第二周期的 0x30) ，而不是地址。如果在其他某些场合，比如接下来的要输入地址的时候，就要使其有效，而使 CLE 无效了。
5)第五行，RE，此时是高电平，无效。可以看到，知道后面低 6 阶段，才变成低电平，才有效，因为那时候要发生读取命令，去读取数据。
6)第六行，就是我们重点要介绍的，复用的输入输出 I/O 端口了，此刻，还没有输入数据，接下来，在不同的阶段，会输入或输出不同的数据/地址。
7)第七行，R/B,高电平，表示 R（Ready）/就绪，因为到了后面的第 5阶段，硬件内部，在第四阶段，接受了外界的读取命令后，把该页的数据一点点送到页寄存器中，这段时间，属于系统在忙着干活，属于忙的阶段所以，R/B才变成低，表示 Busy忙的状态的。 其他的时序的就类似的理解。
3、计算我们要读取或者写入的行地址和例地址
以mini2440开发板上的K9F2G08为例，此Nand Flash，一共有 2048 个块,每个块内有 64 页,每个页是 2K+64 Bytes。
假设,我们要访问其中的第 1000个块中的第 25 页中的 1208字节处的地址，此时，我们就要先把具体的地址算出来：
物理地址
=块大小*块号 ＋ 页大小*页号 ＋ 页内地址
从上图可以看出,该FLASH的地址周期一共有5个,2个列地址(Column)周期,3个行地址(Row)周期
a)对应的列地址就是页内地址,该flash一个页的大小是2K即2048个字节,所以它的地址范围是0~2047,对应的上图的列地址A0-A10就是页内地址。你可能会发现多出了一个A11,从A0-A11，这样一共就有了12位,那它的地址范围就是0~2^12,即0~4096了,实际上，由于我们访问页内地址，可能会访问到 oob 的位置，即 2048-2111 这 64 个字节的范围内，所以，此处实际上只用到了 2048～2111，用于表示页内的 oob 区域，其大小是 64字节。
b)对应地，A12～A28,称作页号，页的号码，可以定位到具体是哪一个页,该FLASH一共是64页一共需要6位即A12~A17,而其中A18～A28表示对应的块号,即属于哪个块。
这里有一个很重要的地方就是我们要传入的地址的每一位，就是对应着上表中的 A0 到 A28 ,实际上上表中的 A11是比较特殊的,只有当我们访问页内地址处于 oob的位置，即属于 2048~2111 的时候，A11才会其效果，才会用 A0-A11用来表示对应的某个属于 2048~2111 的某个值，属于 oob 的某个位置,而我们此处的页内地址为 1208，还没有超过 2047 呢，所以 A11肯定是 0
然后我们再来算上面我们要访问的地址：第 1000个块中的第 25 页中的 1208字节处的地址
第 1000个块中的第 25 页中的 1208字节处的地址它对应着的页内地址为：
页内地址 =1208Bytes
=0x4B8
页 号 =块数*每块多少页 + 块内的页号
=1000*64 + 25
=0xFA19
也就是我们要访问0xFA19页内的0x4B8地址,再把这个地址转换成列和行地址
A0~A10是用来表示页内地址的所以把0x4B8拆分成两列
列地址1=0xB8,列地址2=0x04;
再把页号0xFA19拆分成3行
行地址1=0x19,行地址2=0xFA,行地址3=0x0;
对应的看看linux2.6.35/driver/mtd/nand/nand_base.c中地址的发送
上面的column即对应着页内地址,通常情况是0,如果不是0则通过传入进来的地址除于页地址就可得到相应的列地址了。而 page_addr 即页号，就是通过要访问的地址，除于页大小，即可得到。
对于其他操作还正在研究中。。。。。。虽然说上面这些东东大部分都是来自别人的东西,但是我相信现在它已经变成我自己的东西了。。我不记得那个大帅的博客了,因为我是直接把它的博客给保存到本地了。。
非常
的说：我突然发现在写这些关于NAND驱动的文章的时候，原来我一直是在改写别人的博客。。。。。其实这并不要紧的,我也觉得这不仅仅是一种比较好的学习方法了，为什么呢,因为当我在看他的博客的时候，我明白了一点,然后当我自己要写的时候。。对这个东东又进一步了解一点了。。呵呵Copy也分档次了
五、硬件时序到软件代码的演变过程对nand_base.c部分代码的分析
该文件位于</linux2.6.35/dricer/mtd/nand/nand_base.c>
还是把那个读NAND的硬件时序图给贴上,如下图：
①：此阶段，是读命令第一个周期，发送的命令为0x00。
②：此阶段，依次发送列地址，关于这些行地址，列地址等是如何计算出来的，后面的内容
会有详细解释。
③：此阶段是发送对应的行地址
④：此阶段是发送读命令第二周期 2nd cycle所对应的命令，0x30
⑤：此阶段是等待时间，等待 Nand Flash硬件上准备好对应的数据，以便后续读出。
⑥：此阶段，就是一点点地把所需要的数据读出来。
MTD 读取数据的入口是 nand_read，然后调用 nand_do_read_ops，此函数主体如下：
static int nand_do_read_ops(struct mtd_info *mtd, loff_t from,
struct mtd_oob_ops *ops)
{
/***此处省略部分代码**/
。。。。。。。。。。。。。。
while(1) {
/******省略****/
.。。。。。。。。。。。。。。。
if (likely(sndcmd)) {/*#define NAND_CMD_READ0 0*/
/*1)***读取数据前肯定要先发送对应的读页命令******/
chip->cmdfunc(mtd, NAND_CMD_READ0, 0x00, page);
sndcmd = 0;
}
/* Now read the page into the buffer */
if (unlikely(ops->mode == MTD_OOB_RAW))
ret = chip->ecc.read_page_raw(mtd, chip,
bufpoi, page);
else if (!aligned && NAND_SUBPAGE_READ(chip) && !oob)
ret = chip->ecc.read_subpage(mtd, chip, col, bytes, bufpoi);
else
/******执行到这里read_page函数读取对应的数据了******/
ret = chip->ecc.read_page(mtd, chip, bufpoi,
page);
if (ret < 0)
break;
/* Transfer not aligned data */
if (!aligned) {
if (!NAND_SUBPAGE_READ(chip) && !oob)
chip->pagebuf = realpage;
memcpy(buf, chip->buffers->databuf + col, bytes);
}
buf += bytes;
。。。。。。。。。。。。。。。。。。
if (mtd->ecc_stats.failed - stats.failed)
return -EBADMSG;
return mtd->ecc_stats.corrected - stats.corrected ? -EUCLEAN : 0;
}
上面这些代码都不需要我们去实现的,使用MTD层的自定义代码就行。。。
nand_command_lp的分析
static void nand_command_lp(struct mtd_info *mtd, unsigned int command,
int column, int page_addr)
{
register struct nand_chip *chip = mtd->priv;
/* Emulate NAND_CMD_READOOB */
if (command == NAND_CMD_READOOB) {
column += mtd->writesize;
command = NAND_CMD_READ0;
}
/* Command latch cycle */
/* 此处就是就是发送读命令的第一个周期1st Cycle的命令，即0x00，对应着上述步骤中的① */
chip->cmd_ctrl(mtd, command & 0xff,
NAND_NCE | NAND_CLE | NAND_CTRL_CHANGE);
if (column != -1 || page_addr != -1) {
int ctrl = NAND_CTRL_CHANGE | NAND_NCE | NAND_ALE;
/* Serially input address */
if (column != -1) {
/* Adjust columns for 16 bit buswidth */
if (chip->options & NAND_BUSWIDTH_16)
column >>= 1;
/* 发送两个column列地址，对应着上述步骤中的② */
chip->cmd_ctrl(mtd, column, ctrl);/*发送列地址1*/
ctrl &= ~NAND_CTRL_CHANGE;
chip->cmd_ctrl(mtd, column >> 8, ctrl);/*发送列地址2*/
}
if (page_addr != -1) {
/* 接下来是发送三个Row，行地址，对应着上述步骤中的② */
chip->cmd_ctrl(mtd, page_addr, ctrl);/*发送行地址1*/
chip->cmd_ctrl(mtd, page_addr >> 8,/*发送行地址2*/
NAND_NCE | NAND_ALE);
/* One more address cycle for devices > 128MiB */
if (chip->chipsize > (128 << 20))
chip->cmd_ctrl(mtd, page_addr >> 16,/*发送行地址3*/
NAND_NCE | NAND_ALE);
}
}
chip->cmd_ctrl(mtd, NAND_CMD_NONE, NAND_NCE | NAND_CTRL_CHANGE);
/*
* program and erase have their own busy handlers
* status, sequential in, and deplete1 need no delay
*/
switch (command) {
。。。。。。。。。。。。。
return;
/***复位**/
case NAND_CMD_RESET:
if (chip->dev_ready)
break;
udelay(chip->chip_delay);
chip->cmd_ctrl(mtd, NAND_CMD_STATUS,
NAND_NCE | NAND_CLE | NAND_CTRL_CHANGE);
chip->cmd_ctrl(mtd, NAND_CMD_NONE,
NAND_NCE | NAND_CTRL_CHANGE);
while (!(chip->read_byte(mtd) & NAND_STATUS_READY)) ;
return;
/*读忙信号*/
case NAND_CMD_RNDOUT:
/* No ready / busy check necessary */
chip->cmd_ctrl(mtd, NAND_CMD_RNDOUTSTART,
NAND_NCE | NAND_CLE | NAND_CTRL_CHANGE);
chip->cmd_ctrl(mtd, NAND_CMD_NONE,
NAND_NCE | NAND_CTRL_CHANGE);
return;
/* 接下来发送读命令的第二个周期2nd Cycle的命令，即0x30，对应着上述步骤
中的④ */
case NAND_CMD_READ0:
chip->cmd_ctrl(mtd, NAND_CMD_READSTART,
NAND_NCE | NAND_CLE | NAND_CTRL_CHANGE);
chip->cmd_ctrl(mtd, NAND_CMD_NONE,
NAND_NCE | NAND_CTRL_CHANGE);
/* This applies to read commands */
default:
/*
* If we don't have access to the busy pin, we apply the given
* command delay
*/
if (!chip->dev_ready) {
udelay(chip->chip_delay);
return;
}
}
/* Apply this short delay always to ensure that we do wait tWB in
* any case on any machine. */
/* 此处是对应着④中的tWB的等待时间*/
ndelay(100);
/* 接下来就是要等待一定的时间，使得Nand Flash硬件上准备好数据，以供你之
后读取，即对应着步骤⑤ */
nand_wait_ready(mtd);
}
还有一个步骤没有实现那就是步骤⑥了一点一点的把数据读出来
nand_read_page_hwecc分析
static int nand_read_page_hwecc(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *chip,
uint8_t *buf, int page)
{
。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
for (i = 0; eccsteps; eccsteps--, i += eccbytes, p += eccsize) {
chip->ecc.hwctl(mtd, NAND_ECC_READ);
/**这个最重要了这才是真正的从NAND的缓冲区中把数据给读出来****/
chip->read_buf(mtd, p, eccsize);
chip->ecc.calculate(mtd, p, &ecc_calc[i]);
}
。。。。。。。。。。
return 0;
}
上面的 read_buf，就是真正的去读取数据的函数了，由于不同的Nand Flash controller 控制器所实现的方式不同，所以这个函数必须在你的 Nand Flash驱动中实现，即MTD 层，能帮我们实现的都实现了，不能实现的，那肯定是我们自己的事情了。。。接下来的工作是什么?MTD原始设备和硬件驱动层的交互了.这个才是我们要去真正实现的。。