嵌入式Linux之我行——S3C2440上Flash驱动实例开发讲解
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一、Linux中Flash硬件知识
- Flash用途和分类：
在嵌入式系统开发设计中，存储模块是不可缺少的重要部分，而 Flash是目前市场上主要的非易失闪存技术，他主要分为：Nor Flash和Nand Flash两种。那么他们有什么区别呢？简单的讲：Nor Flash容量小，价格高，写速度慢但随机读速度快，所以较适合存储少量的程序代码，比如u-boot启动代码；而Nand Flash则容量大，价格低，写速度快但读速度慢，所以他相当于PC上的硬盘用于存储大量的数据。Nor Flash与Nand Flash更详细区别如下表：
- Flash在硬件设计中的应用：
以Mini2440开发板为例：该开发板上带有一块2M的Nor Flash和一块64M的Nand Flash。下面先看看他们是怎样被应用于嵌入式Linux的。Nor Flash和Nand Flash电路原理图分别如下：(由mini2440提供)
从 原理图上可以看到，Nor Flash内部提供的是有类似于DRam之类的地址总线，可以直接与CPU相连，CPU可以直接通过地址总线对Nor Flash进行访问；而Nand Flash没有这类的总线，其内部只提供IO接口，因此只能通过IO接口发送命令和地址，对Nand Flash内部数据进行访问。这可以说是二者最大的区别了，也说明了二者读写速度不同的所在。因此，各有各的优点，Nor Flash访问快，Nand Flash简化了电路。注意：电路原理图中字母上面有一横杠的表示该引脚是低电平有效，没有的是默认的高电平。
- Linux MTD子系统：
在Linux系统中，提供了MTD(内存技术设备)子系统来建立Flash针对Linux的统一、抽象的接口。MTD子系统将上层文件系统与底层 Flash硬件进行了隔离，使Flash驱动开发者无需再关心Flash作为字符设备或者块设备与Linux内核的接口。MTD将Linux系统 Flash设备驱动及接口分成了4个层次，如图所示，从上往下分别为：设备节点、MTD设备层、MTD原始设备层和Flash硬件驱动层。
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字符设备(在/mtd/mtdchar.c中实现)和MTD块设备(在/mtd/mtdblock.c中实现)。
MTD原始设备层： MTD原始设备层由两个部分组成，分别是MTD原始设备的通用代码和各个特定的Flash的数据，如分区信息。
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芯片驱动一般位于drivers/mtd/chips/子目录下，Nand Flash芯片的驱动则位于drivers/mtd/nand/子目录下。
综 合上述我们可知，MTD子系统已经对Flash设备对于上层的应用进行了封装，我们在写硬件驱动的时候直接调用MTD原始设备层提供的接口函数做相应的操 作即可。那么，对于MTD设备层，MTD原始设备层提供了哪些接口呢？对于Flash硬件驱动层，MTD原始设备层又提供了哪些接口呢？下面开始了解。
- MTD子系统接口：
在MTD子系统中，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所示：
从上图可知，MTD设备层是通过原始设备层提供的接口来注册MTD字符设备或MTD块设备的，同样，驱动工程师要编写的Flash硬件驱动也是通过原始设备层提供的接口来添加MTD设备和MTD分区的，分别如下：//使用这两个接口函数进行添加和删除MTD设备
int add_mtd_device( struct mtd_info * mtd) ;
int del_mtd_device( struct mtd_info * mtd)//使用这两个接口函数进行添加和删除MTD分区
int add_mtd_partitions( struct mtd_info *master , struct mtd_partition *parts , int nbparts ) ;
int del_mtd_partitions( struct mtd_info *master )
在 MTD中，一个MTD原始设备用mtd_info结构体来表示，定义在include/linux/mtd/mtd.h中；一个MTD原始设备分区用 mtd_part结构体来表示，定义在drivers/mtd/mtdpart.c中。其中每个分区也被认为是一个mtd_info，比如：有一个MTD 原始设备，上面有3个分区，那么将共有3个mtd_info，而这3个mtd_info的指针将被存放在mtd_table的数组中进行管理，定义在 drivers/mtd/mtdcore.h中，如下所示：extern struct mtd_info * mtd_table[ MAX_MTD_DEVICES] ;//最多有MAX_MTD_DEVICES(默认定义为32)个设备
- MTD子系统中重要的一些数据结构：
struct mtd_info
{
//硬件设备的类型，如：MTD_RAM,MTD_ROM,MTD_NORFlash,MTD_NANDFlash,MTD_PEROM等
u_char type;
//设备支持的选项，如：MTD_ERASEABLE(可擦除),MTD_WRITEB_WRITEALBE(可编程),
//MTD_XIP(可片内执行),MTD_OOB(NAND额外数据),MTD_ECC(支持自动ECC)等
uint32_t flags;
uint64_t size; //MTD设备的大小
uint32_t erasesize; //主要的擦除块大小(注意：同一个MTD设备可能有几种不同的erasesize)
uint32_t writesize; //编程块大小
uint32_t oobsize; //OOB数据大小
uint32_t oobavail;
unsigned int erasesize_shift;
unsigned int writesize_shift;
unsigned int erasesize_mask;
unsigned int writesize_mask;
const char * name;
int index;
struct nand_ecclayout * ecclayout; //ECC布局结构
int numeraseregions; //擦除区域的个数，通常为1
struct mtd_erase_region_info * eraseregions; //擦除区域的指针
//此方法将一个erase_info结构放入擦除队列中
int ( * erase) ( struct mtd_info * mtd, struct erase_info * instr) ;
//point和unpoint方法分别用于允许和禁止芯片内执行(eXecute-In-Place，简称XIP)，如果unpoint为NULL，则表示禁止XIP
int ( * point) ( struct mtd_info * mtd, loff_t from, size_t len, size_t * retlen, void * * virt, resource_size_t * phys) ;
void ( * unpoint) ( struct mtd_info * mtd, loff_t from, size_t len) ;
//如果不为NULL，则表示允许无MMU单元的虚拟地址映射
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;
//read和write分别用于MTD设备的读和写
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) ;
int ( * panic_write) ( struct mtd_info * mtd, loff_t to, size_t len, size_t * retlen, const u_char * buf) ;
//read_oob和write_oob分别用于读写MTD设备的OOB数据
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) ;
//一下几个方法是用于实现访问一些受保护的寄存器(一般这只是出现在某些特定的Flash设备上)
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) ;
//基于kvec的形式写
int ( * writev) ( struct mtd_info * mtd, const struct kvec * vecs, unsigned long count , loff_t to, size_t * retlen) ;
//实现MTD设备的同步操作
void ( * sync) ( struct mtd_info * mtd) ;
//实现特定芯片的加锁和解锁
int ( * lock) ( struct mtd_info * mtd, loff_t ofs, uint64_t len) ;
int ( * unlock) ( struct mtd_info * mtd, loff_t ofs, uint64_t len) ;
//实现支持电源管理
int ( * suspend) ( struct mtd_info * mtd) ;
void ( * resume) ( struct mtd_info * mtd) ;
//坏块管理功能
int ( * block_isbad) ( struct mtd_info * mtd, loff_t ofs) ;
int ( * block_markbad) ( struct mtd_info * mtd, loff_t ofs) ;
//默认重启的MTD设备工作模式
struct notifier_block reboot_notifier;
//用于记录ECC状态的信息
struct mtd_ecc_stats ecc_stats;
/* Subpage shift (NAND) */
int subpage_sft;
//私有数据，注意是void类型的指针
void * priv;
struct module * owner;
struct device dev;
int usecount; //记录用户的个数
//这两个方法用于设备驱动的回调，可以根据具体需要来决定是否实现他们
int ( * get_device) ( struct mtd_info * mtd) ;
void ( * put_device) ( struct mtd_info * mtd) ;
} ;
struct mtd_part
{
struct mtd_info mtd; //本分区信息(会被加入到mtd_table中，其大部分成员由其master决定)
struct mtd_info * master; //该分区的主分区(不作为一个mtd_info加入到mtd_table。这也解释了上面的一个比喻，1个原始设备上有3个分区，最后将只有3个mtd_info加入到mtd_table而不是4个)
uint64_t offset; //该分区的偏移地址
int index; //该分区号
struct list_head list ;
int registered;
} ;