Linux MTD系统剖析
MTD，Memory Technology Device即内存技术设备，在Linux内核中，引入MTD层为NOR FLASH和NAND FLASH设备提供统一接口。MTD将文件系统与底层FLASH存储器进行了隔离。
如上图所示，MTD设备通常可分为四层，从上到下依次是：设备节点、MTD设备层、MTD原始设备层、硬件驱动层。
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Nand Flash芯片的驱动则drivers/mtd/nand/子目录下,Nor Flash芯片驱动位于drivers/mtd/chips/子目录下。
MTD原始设备层：用于描述MTD原始设备的数据结构是mtd_info，它定义了大量的关于MTD的数据和操作函数。其中mtdcore.c: MTD原始设备接口相关实现，mtdpart.c : MTD分区接口相关实现。
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）。其中mtdchar.c : MTD字符设备接口相关实现，mtdblock.c : MTD块设备接口相关实现。
设备节点：通过mknod在/dev子目录下建立MTD块设备节点（主设备号为31）和MTD字符设备节点（主设备号为90）。通过访问此设备节点即可访问MTD字符设备和块设备
MTD数据结构：
1.Linux内核使用mtd_info结构体表示MTD原始设备，这其中定义了大量关于MTD的数据和操作函数（后面将会看到），所有的mtd_info结构体存放在mtd_table结构体数据里。在/drivers/mtd/mtdcore.c里：
- struct mtd_info *mtd_table[MAX_MTD_DEVICES];
- struct mtd_part {
- struct mtd_info mtd; /* 分区信息, 大部分由master决定 */
- struct mtd_info *master; /* 分区的主分区 */
- uint64_t offset; /* 分区的偏移地址 */
- int index; /* 分区号 (Linux3.0后不存在该字段) */
- struct list_head list; /* 将mtd_part链成一个链表mtd_partitons */
- int registered;
- };
- struct mtd_info {
- u_char type; /* MTD类型，包括MTD_NORFLASH,MTD_NANDFLASH等(可参考mtd-abi.h) */
- uint32_t flags; /* MTD属性标志，MTD_WRITEABLE,MTD_NO_ERASE等(可参考mtd-abi.h) */
- uint64_t size; /* mtd设备的大小 */
- uint32_t erasesize; /* MTD设备的擦除单元大小，对于NandFlash来说就是Block的大小 */
- uint32_t writesize; /* 写大小, 对于norFlash是字节,对nandFlash为一页 */
- uint32_t oobsize; /* OOB字节数 */
- uint32_t oobavail; /* 可用的OOB字节数 */
- unsigned int erasesize_shift; /* 默认为0，不重要 */
- unsigned int writesize_shift; /* 默认为0，不重要 */
- unsigned int erasesize_mask; /* 默认为1，不重要 */
- unsigned int writesize_mask; /* 默认为1，不重要 */
- const char *name; /* 名字， 不重要*/
- int index; /* 索引号，不重要 */
- int numeraseregions; /* 通常为1 */
- struct mtd_erase_region_info *eraseregions; /* 可变擦除区域 */
- void *priv; /* 设备私有数据指针，对于NandFlash来说指nand_chip结构体 */
- struct module *owner; /* 一般设置为THIS_MODULE */
- /* 擦除函数 */
- int (*erase) (struct mtd_info *mtd, struct erase_info *instr);
- /* 读写flash函数 */
- int (*read) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf);
- int (*write) (struct mtd_info *mtd, loff_t to, size_t len, size_t *retlen, const u_char *buf);
- /* 带oob读写Flash函数 */
- int (*read_oob) (struct mtd_info *mtd, loff_t from,
- struct mtd_oob_ops *ops);
- int (*write_oob) (struct mtd_info *mtd, loff_t to,
- struct mtd_oob_ops *ops);
- int (*get_fact_prot_info) (struct mtd_info *mtd, struct otp_info *buf, size_t len);
- int (*read_fact_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf);
- int (*get_user_prot_info) (struct mtd_info *mtd, struct otp_info *buf, size_t len);
- int (*read_user_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf);
- int (*write_user_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf);
- int (*lock_user_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len);
- int (*writev) (struct mtd_info *mtd, const struct kvec *vecs, unsigned long count, loff_t to, size_t *retlen);
- int (*panic_write) (struct mtd_info *mtd, loff_t to, size_t len, size_t *retlen, const u_char *buf);
- /* Sync */
- void (*sync) (struct mtd_info *mtd);
- /* Chip-supported device locking */
- int (*lock) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs, uint64_t len);
- int (*unlock) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs, uint64_t len);
- /* 电源管理函数 */
- int (*suspend) (struct mtd_info *mtd);
- void (*resume) (struct mtd_info *mtd);
- /* 坏块管理函数 */
- int (*block_isbad) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs);
- int (*block_markbad) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs);
- void (*unpoint) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len);
- unsigned long (*get_unmapped_area) (struct mtd_info *mtd,
- unsigned long len,
- unsigned long offset,
- unsigned long flags);
- struct backing_dev_info *backing_dev_info;
- struct notifier_block reboot_notifier; /* default mode before reboot */
- /* ECC status information */
- struct mtd_ecc_stats ecc_stats;
- int subpage_sft;
- struct device dev;
- int usecount;
- int (*get_device) (struct mtd_info *mtd);
- void (*put_device) (struct mtd_info *mtd);
- };
如果MTD设备只有一个分区，那么使用下面两个函数注册和注销MTD设备。
- int add_mtd_device(struct mtd_info *mtd)
- int del_mtd_device (struct mtd_info *mtd)
- int add_mtd_partitions(struct mtd_info *master,const struct mtd_partition *parts,int nbparts)
- int del_mtd_partitions(struct mtd_info *master)
- struct mtd_partition {
- char *name; /* 分区名，如TQ2440_Board_uboot、TQ2440_Board_kernel、TQ2440_Board_yaffs2 */
- uint64_t size; /* 分区大小 */
- uint64_t offset; /* 分区偏移值 */
- uint32_t mask_flags; /* 掩码标识，不重要 */
- struct nand_ecclayout *ecclayout; /* OOB布局 */
- struct mtd_info **mtdp; /* pointer to store the MTD object */
- };
- 其中nand_ecclayout结构体：
- struct nand_ecclayout {
- __u32 eccbytes; /* ECC字节数 */
- __u32 eccpos[64]; /* ECC校验码在OOB区域存放位置 */
- __u32 oobavail;
- /* 除了ECC校验码之外可用的OOB字节数 */
- struct nand_oobfree oobfree[MTD_MAX_OOBFREE_ENTRIES];
- };
MTD设备层：
mtd字符设备接口：
/drivers/mtd/mtdchar.c文件实现了MTD字符设备接口，通过它，可以直接访问Flash设备，与前面的字符驱动一样，通过file_operations结构体里面的open()、read()、write()、ioctl()可以读写Flash，通过一系列IOCTL 命令可以获取Flash 设备信息、擦除Flash、读写NAND 的OOB、获取OOB layout 及检查NAND 坏块等(MEMGETINFO、MEMERASE、MEMREADOOB、MEMWRITEOOB、MEMGETBADBLOCK IOCRL)
mtd块设备接口：
/drivers/mtd/mtdblock.c文件实现了MTD块设备接口，主要原理是将Flash的erase block 中的数据在内存中建立映射，然后对其进行修改，最后擦除Flash 上的block，将内存中的映射块写入Flash 块。整个过程被称为read/modify/erase/rewrite 周期。 但是，这样做是不安全的，当下列操作序列发生时，read/modify/erase/poweroff，就会丢失这个block 块的数据。
MTD硬件驱动层：
Linux内核再MTD层下实现了通用的NAND驱动(/driver/mtd/nand/nand_base.c)，因此芯片级的NAND驱动不再需要实现mtd_info结构体中的read()、write()、read_oob()、write_oob()等成员函数。
MTD使用nand_chip来表示一个NAND FLASH芯片, 该结构体包含了关于Nand Flash的地址信息,读写方法,ECC模式,硬件控制等一系列底层机制。
- struct nand_chip {
- void __iomem *IO_ADDR_R; /* 读8位I/O线地址 */
- void __iomem *IO_ADDR_W; /* 写8位I/O线地址 */
- /* 从芯片中读一个字节 */
- uint8_t (*read_byte)(struct mtd_info *mtd);
- /* 从芯片中读一个字 */
- u16 (*read_word)(struct mtd_info *mtd);
- /* 将缓冲区内容写入芯片 */
- void (*write_buf)(struct mtd_info *mtd, const uint8_t *buf, int len);
- /* 读芯片读取内容至缓冲区/ */
- void (*read_buf)(struct mtd_info *mtd, uint8_t *buf, int len);
- /* 验证芯片和写入缓冲区中的数据 */
- int (*verify_buf)(struct mtd_info *mtd, const uint8_t *buf, int len);
- /* 选中芯片 */
- void (*select_chip)(struct mtd_info *mtd, int chip);
- /* 检测是否有坏块 */
- int (*block_bad)(struct mtd_info *mtd, loff_t ofs, int getchip);
- /* 标记坏块 */
- int (*block_markbad)(struct mtd_info *mtd, loff_t ofs);
- /* 命令、地址、数据控制函数 */
- void (*cmd_ctrl)(struct mtd_info *mtd, int dat,unsigned int ctrl);
- /* 设备是否就绪 */
- int (*dev_ready)(struct mtd_info *mtd);
- /* 实现命令发送 */
- void (*cmdfunc)(struct mtd_info *mtd, unsigned command, int column, int page_addr);
- int (*waitfunc)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *this);
- /* 擦除命令的处理 */
- void (*erase_cmd)(struct mtd_info *mtd, int page);
- /* 扫描坏块 */
- int (*scan_bbt)(struct mtd_info *mtd);
- int (*errstat)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *this, int state, int status, int page);
- /* 写一页 */
- int (*write_page)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *chip,
- const uint8_t *buf, int page, int cached, int raw);
- int chip_delay; /* 由板决定的延迟时间 */
- /* 与具体的NAND芯片相关的一些选项，如NAND_NO_AUTOINCR，NAND_BUSWIDTH_16等 */
- unsigned int options;
- /* 用位表示的NAND芯片的page大小，如某片NAND芯片
- * 的一个page有512个字节，那么page_shift就是9
- */
- int page_shift;
- /* 用位表示的NAND芯片的每次可擦除的大小，如某片NAND芯片每次可
- * 擦除16K字节(通常就是一个block的大小)，那么phys_erase_shift就是14
- */
- int phys_erase_shift;
- /* 用位表示的bad block table的大小，通常一个bbt占用一个block，
- * 所以bbt_erase_shift通常与phys_erase_shift相等
- */
- int bbt_erase_shift;
- /* 用位表示的NAND芯片的容量 */
- int chip_shift;
- /* NADN FLASH芯片的数量 */
- int numchips;
- /* NAND芯片的大小 */
- uint64_t chipsize;
- int pagemask;
- int pagebuf;
- int subpagesize;
- uint8_t cellinfo;
- int badblockpos;
- nand_state_t state;
- uint8_t *oob_poi;
- struct nand_hw_control *controller;
- struct nand_ecclayout *ecclayout; /* ECC布局 */
- struct nand_ecc_ctrl ecc; /* ECC校验结构体，里面有大量的函数进行ECC校验 */
- struct nand_buffers *buffers;
- struct nand_hw_control hwcontrol;
- struct mtd_oob_ops ops;
- uint8_t *bbt;
- struct nand_bbt_descr *bbt_td;
- struct nand_bbt_descr *bbt_md;
- struct nand_bbt_descr *badblock_pattern;
- void *priv;
- };
