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【详解】如何编写Linux下Nand Flash驱动 v1.2.pdf

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【详解】如何编写Linux下Nand Flash驱动 – 1 of 2

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【详解】如何编写Linux下Nand Flash驱动 – 2 of 2

版本: 1.2

最后更新日期:2011-03-15

作者：crifan

邮箱:green-waste(At)163.com

2.1.11. Nand Flash中的特殊硬件结构

由于Nand Flash相对其他常见设备来说，比较特殊，所以，特殊的设备，就有特殊的设计，就对应某些特殊的硬件特性，就有必要解释解释：

页寄存器（Page Register）：由于Nand Flash读取和编程操作来说，一般最小单位是页，所以Nand Flash在硬件设计时候，就考虑到这一特性，对于每一片（Plane），都有一个对应的区域专门用于存放，将要写入到物理存储单元中去的或者刚从存储单元中读取出来的，一页的数据，这个数据缓存区，本质上就是一个缓存buffer，但是只是此处datasheet里面把其叫做页寄存器page register而已，实际将其理解为页缓存，更贴切原意。

而正是因为有些人不了解此内部结构，才容易产生之前遇到的某人的误解，以为内存里面的数据，通过Nand Flash的FIFO，写入到Nand Flash里面去，就以为立刻实现了实际数据写入到物理存储单元中了，而实际上只是写到了这个页缓存中，只有当你再发送了对应的编程第二阶段的确认命令，即0x10，之后，实际的编程动作才开始，才开始把页缓存中的数据，一点点写到物理存储单元中去。

所以，简单总结一下就是，对于数据的流向，实际是经过了如下步骤：

图表 8 Nand Flash读写时的数据流向

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2.1.12. Nand Flash中的坏块(Bad Block)

Nand Flash中，一个块中含有1个或多个位是坏的，就称为其为坏块Bad Block。

坏块的稳定性是无法保证的，也就是说，不能保证你写入的数据是对的，或者写入对了，读出来也不一定对的。与此对应的正常的块，肯定是写入读出都是正常的。

2.1.12.1. 坏块的分类

坏块有两种：

（1）出厂时就有存在的坏块：

一种是出厂的时候，也就是，你买到的新的，还没用过的Nand Flash，就可以包含了坏块。此类出厂时就有的坏块，被称作factory (masked) bad block或initial bad/invalid block，在出厂之前，就会做对应的标记，标为坏块。

（2）使用过程中产生的坏块：

第二类叫做在使用过程中产生的，由于使用过程时间长了，在擦块除的时候，出错了，说明此块坏了，也要在程序运行过程中，发现，并且标记成坏块的。具体标记的位置，和上面一样。这类块叫做worn-out bad block。即用坏了的块。

2.1.12.2. 坏块的标记

具体标记的地方是，对于现在常见的页大小为2K的Nand Flash，是块中第一个页的oob起始位置（关于什么是页和oob，下面会有详细解释）的第1个字节（旧的小页面，pagesize是512B甚至256B的Nand Flash，坏块标记是第6个字节），如果不是0xFF，就说明是坏块。相对应的是，所有正常的块，好的块，里面所有数据都是0xFF的。

不过，对于现在新出的有些Nand Flash，很多标记方式，有些变化，有的变成该坏块的第一个页或者第二个页，也有的是，倒数最后一个或倒数第二个页，用于标记坏块的。

具体的信息，请参考对应的Nand Flash的数据手册，其中会有说明。

< xmlnamespace prefix =”o” ns =”urn:schemas-microsoft-com:office:office” />

对于坏块的标记，本质上，也只是对应的flash上的某些字节的数据是非0xFF而已，所以，只要是数据，就是可以读取和写入的。也就意味着，可以写入其他值，也就把这个坏块标记信息破坏了。对于出厂时的坏块，一般是不建议将标记好的信息擦除掉的。

uboot中有个命令是“nand scrub”就可以将块中所有的内容都擦除了，包括坏块标记，不论是出厂时的，还是后来使用过程中出现而新标记的。一般来说，不建议用这个。

不过，在实际的驱动编程开发过程中，为了方便起见，我倒是经常用，其实也没啥大碍，呵呵。不过呢，其实最好的做法是，用“nand erase”只擦除好的块，对于已经标记坏块的块，不要轻易擦除掉，否则就很难区分哪些是出厂时就坏的，哪些是后来使用过程中用坏的了。

2.1.12.3. 坏块的管理

对于坏块的管理，在Linux系统中，叫做坏块管理（BBM，Bad Block Management），对应的会有一个表去记录好块，坏块的信息，以及坏块是出厂就有的，还是后来使用产生的，这个表叫做坏块表（BBT，Bad Block Table）。在Linux 内核MTD架构下的Nand Flash驱动，和Uboot中Nand Flash驱动中，在加载完驱动之后，如果你没有加入参数主动要求跳过坏块扫描的话，那么都会去主动扫描坏块，建立必要的BBT的，以备后面坏块管理所使用。

2.1.12.4. 坏块的比例

而关于好块和坏块，Nand Flash在出厂的时候，会做出保证：

1.关于好的，可以使用的块的数目达到一定的数目，比如三星的K< xmlnamespace prefix =”st1″ ns =”urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags” />9G8G08U0M，整个flash一共有4096个块，出厂的时候，保证好的块至少大于3996个，也就是意思是，你新买到这个型号的Nand Flash，最坏的可能，有3096－3996＝100个坏块。不过，事实上，现在出厂时的坏块，比较少，绝大多数，都是使用时间长了，在使用过程中出现的。

2.保证第一个块是好的，并且一般相对来说比较耐用。做此保证的主要原因是，很多Nand Flash坏块管理方法中，就是将第一个块，用来存储上面提到的BBT，否则，都是出错几率一样的块，那么也就不太好管理了，连放BBT的地方，都不好找了，^_^。

一般来说，不同型号的Nand Flash的数据手册中，也会提到，自己的这个Nand Flash，最多允许多少个坏块。就比如上面提到的，三星的K9G8G08U0M，最多有100个坏块。

2.1.13. Nand Flash中页的访问顺序

在一个块内，对每一个页进行编程的话，必须是顺序的，而不能是随机的。比如，一个块中有128个页，那么你只能先对page0编程，再对page1编程，。。。。，而不能随机的，比如先对page3，再page1，page2.，page0，page4，。。。

2.1.14. 常见的Nand Flash的操作

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：

图表 9 Nand Flash K9K8G08U0A的命令集合

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从上图可以看到，如果要实现读一个页的数据，就要发送Read的命令，而且是分两个周期（Cycle），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，关于此部分详细内容，留待后表。

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,然后发生要写入的地址，再发送0x10h。

【提示】

对于不同厂家的不同型号的Nand Flash 的基本操作，即读页数据Read Page，写页数据（对页进行编程）Page Program，擦除整个块的数据Erase Block等操作，所用的命令都是一样的，但是针对一些Nand Flash的高级的一些特性，比如交错页编程（Interleave Page Program），多片同时编程(Simultaneously Program Multi Plane)等，所用的命令，未必一样，不过对于同一厂家的Nand Flash的芯片，那一般来说，都是统一的。

关于一些常见的操作，比如读一个页的Read操作和写一个页的Page Program，下面开始更深入的介绍。

2.1.14.1. 页编程（Page Program）注意事项

Nand flash的写操作叫做编程Program，编程，一般情况下，是以页为单位的。

有的Nand Flash，比如K9K8G08U0A，支持部分页编程（Partial Page Program），但是有一些限制：在同一个页内的，连续的部分页的编程，不能超过4次。

一般情况下，都是以页为单位进行编程操作的，很少使用到部分页编程。

关于这个部分页编程，本来是一个页的写操作，却用两个命令或更多的命令去实现，看起来是操作多余，效率不高，但是实际上，有其特殊考虑：

至少对于块擦除来说，开始的命令0x60是擦除设置命令(erase setup comman)，然后传入要擦除的块地址，然后再传入擦除确认命令（erase confirm command）0xD0，以开始擦除的操作。

这种完成单个操作要分两步发送命令的设计，即先开始设置，再最后确认的命令方式，是为了避免由于外部由于无意的/未预料而产生的噪音，比如，由于某种噪音，而产生了0x60命令，此时，即使被Nand Flash误认为是擦除操作，但是没有之后的确认操作0xD0，Nand Flash就不会去擦除数据，这样使得数据更安全，不会由于噪音而误操作。

2.1.14.2. 读（Read）操作过程详解

下面以最简单的read操作为例，解释如何理解时序图，以及将时序图中的要求，转化为代码。

解释时序图之前，让我们先要搞清楚，我们要做的事情：

从Nand Flash的某个页Page里面，读取我们要的数据。

要实现此功能，会涉及到几部分的知识，即使我们不太懂Nand Flash的细节，但是通过前面的基本知识的介绍，那么以我们的常识，至少很容易想到的就是，需要用到哪些命令，怎么发这些命令，怎么计算所需要的地址，怎么读取我们要的数据等等。

下面就一步步的解释，需要做什么，以及如何去做：

2.1.14.2.1. 需要使用何种命令

首先，是要了解，对于读取数据，要用什么命令：

根据前面关于Nand Flash的命令集合介绍，我们知道，要读取数据，要用到Read命令，该命令需要2个周期，第一个周期发0x00，第二个周期发0x30。

2.1.14.2.2. 发送命令前的准备工作以及时序图各个信号的具体含义

知道了用何命令后，再去了解如何发送这些命令。

【小常识】

在开始解释前，关于”使能”这个词要罗嗦一下，以防有些读者和我以前一样，在听这类词语的时候，属于初次接触，或者接触不多的，就很容易被搞得一头雾水的（虽然该词汇对于某些专业人士说是属于最基本的词汇了，囧）。

使能（Enable），是指使其（某个信号）有效，使其生效的意思，“使其”“能够”怎么怎么样。。。。比如，上面图中的CLE线号，是高电平有效，如果此时将其设为高电平，我们就叫做，将CLE使能，也就是使其生效的意思。

图表 10 Nand Flash数据读取操作的时序图

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注：此图来自三星的型号K9K8G08U0A的Nand Flash的数据手册(datasheet)。

我们来一起看看，我在图6中的特意标注的①边上的黄色竖线。

黄色竖线所处的时刻，是在发送读操作的第一个周期的命令0x00之前的那一刻。

让我们看看，在那一刻，其所穿过好几行都对应什么值，以及进一步理解，为何要那个值。

（1）黄色竖线穿过的第一行，是CLE。还记得前面介绍命令所存使能（CLE）那个引脚吧？CLE，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，才会将受到的命令，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。

介绍了时刻①的各个信号的值，以及为何是这个值之后，相信，后面的各个时刻，对应的不同信号的各个值，大家就会自己慢慢分析了，也就容易理解具体的操作顺序和原理了。

2.1.14.2.3. 如何计算出我们要传入的行地址和列地址

在介绍具体读取数据的详细流程之前，还要做一件事，那就是，先要搞懂我们要访问的地址，以及这些地址，如何分解后，一点点传入进去，使得硬件能识别才行。

此处还是以K9K8G08U0A为例，此Nand Flash，一共有8192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7000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

=7000×128K+64×2K+1208

=0x36B204B8,

接下来，我们就看看，怎么才能把这个实际的物理地址，转化为Nand Flash所要求的格式。

在解释地址组成之前，先要来看看其datasheet中关于地址周期的介绍：

图表 11 Nand Flash的地址周期组成

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结合图7和图5中的2，3阶段，我们可以看出，此Nand Flash地址周期共有5个，2个列(Column)周期，3个行（Row）周期。而对于对应地，我们可以看出，实际上，列地址A0~A10，就是页内地址，地址范围是从0到2047，而对出的A11，理论上可以表示2048～4095，但是实际上，我们最多也只用到了2048～2011，用于表示页内的oob区域，其大小是64字节。

对应地，A12～A30，称作页号，页的号码，可以定位到具体是哪一个页。而其中，A18～A30，表示对应的块号，即属于哪个块。

简单解释完了地址组成，那么就很容易分析上面例子中的地址了：

0x36B204B8 = 0011 0110 1011 0010 0000 0100 1011 1000，分别分配到5个地址周期就是：

1^st 周期，A7～A0 ：1011 1000 = 0x B8

2^nd周期，A11～A8 ：0000 0100 = 0x04

3^rd周期，A19～A12 ：0010 0000 = 0x20

4^th周期，A27～A20 ：0110 1011 = 0x6B

5^th周期，A30～A28 ：0000 0011 = 0x03

注意，与图7中对应的，*L，意思是地电平，由于未用到那些位，datasheet中强制要求设为0，所以，才有上面的2nd周期中的高4位是0000.其他的A30之后的位也是类似原理，都是0。

因此，接下来要介绍的，我们要访问第7000个块中的第25页中的1208字节处的话，所要传入的地址就是分5个周期，分别传入两个列地址的：0xB8，0x04，然后再传3个行地址的：0x20，0x6B，0x03，这样硬件才能识别。

2.1.14.2.4. 读操作过程的解释

准备工作终于完了，下面就可以开始解释说明，对于读操作的，上面图中标出来的，1-6个阶段，具体是什么含义。

操作准备阶段：此处是读（Read）操作，所以，先发一个图5中读命令的第一个阶段的0x00,表示，让硬件先准备一下，接下来的操作是读。

发送两个周期的列地址。也就是页内地址，表示，我要从一个页的什么位置开始读取数据。

接下来再传入三个行地址。对应的也就是页号。

然后再发一个读操作的第二个周期的命令0x30。接下来，就是硬件内部自己的事情了。

Nand Flash内部硬件逻辑，负责去按照你的要求，根据传入的地址，找到哪个块中的哪个页，然后把整个这一页的数据，都一点点搬运到页缓存中去。而在此期间，你所能做的事，也就只需要去读取状态寄存器，看看对应的位的值，也就是R/B#那一位，是1还是0，0的话，就表示，系统是busy，仍在”忙“（着读取数据），如果是1，就说系统活干完了，忙清了，已经把整个页的数据都搬运到页缓存里去了，你可以接下来读取你要的数据了。

对于这里。估计有人会问了，这一个页一共2048+64字节，如果我传入的页内地址，就像上面给的1208一类的值，只是想读取1028到2011这部分数据，而不是页开始的0地址整个页的数据，那么内部硬件却读取整个页的数据出来，岂不是很浪费吗？答案是，的确很浪费，效率看起来不高，但是实际就是这么做的，而且本身读取整个页的数据，相对时间并不长，而且读出来之后，内部数据指针会定位到你刚才所制定的1208的那个位置。

接下来，就是你“窃取“系统忙了半天之后的劳动成果的时候了，呵呵。通过先去Nand Flash的控制器中的数据寄存器中写入你要读取多少个字节(byte)/字(word)，然后就可以去Nand Flash的控制器的FIFO中，一点点读取你要的数据了。

至此，整个Nand Flash的读操作就完成了。

对于其他操作，可以根据我上面的分析，一点点自己去看datasheet，根据里面的时序图去分析具体的操作过程，然后对照代码，会更加清楚具体是如何实现的。

2.1.15. Nand Flash的一些高级特性

2.1.15.1. 片选无关(CE don’t-care)技术

很多Nand flash支持一个叫做CE don’t-care的技术，字面意思就是，不关心是否片选。

对此也许有人会问了，如果不片选，那还能对其操作吗？答案就是，这个技术，主要用在当时是不需要选中芯片，但是芯片内部却仍可以继续操作的这些情况：在某些应用，比如录音，音频播放等应用中，外部使用的微秒（us）级的时钟周期，此处假设是比较少的2us，在进行读取一页或者对页编程时，是对Nand Flash操作，这样的串行（Serial Access）访问的周期都是20/30/50ns，都是纳秒（ns）级的，此处假设是50ns，当你已经发了对应的读或写的命令之后，接下来只是需要Nand Flash内部去自己操作，将数据读取除了或写入进去到内部的数据寄存器中而已，此处，如果可以把片选取消，CE#是低电平有效，取消片选就是拉高电平，这样会在下一个外部命令发送过来之前，即微秒量级的时间里面，即2us－50ns≈2us，这段时间的取消片选，可以降低很少的系统功耗，但是多次的操作，就可以在很大程度上降低整体的功耗了。

总的来说就是：由于某些外部应用所需要的访问Nand Flash的频率比较低，而Nand Flash内部操作速度比较快，所以在针对Nand Flash的读或写操作的大部分时间里面，都是在等待外部命令的输入，同时却选中芯片，产生了多余的功耗，此“不关心片选”技术，就是在Nand Flash的内部的相对快速的操作（读或写）完成之后，就取消片选，以节省系统功耗。待下次外部命令/数据/地址输入来的时候，再选中芯片，即可正常继续操作了。这样，整体上，就可以大大降低系统功耗了。

【提示】

1. 如果想要操作硬件Nand Flash芯片，先要将对应的CE#（低有效）片选信号拉低，选中该芯片，然后才能做接下来的读写操作所要做的发命令，发数据等动作。

2．Nand Flash的片选与否，功耗差别会有很大。如果数据没有记错的话，我之前遇到我们系统里面的Nand Flash的片选，大概有5个mA的电流输出呢，也许你对5mA没太多概念，给你说个数据你就知道了：当时为了针对MP3播放功耗进行优化，整个系统优化之后的待机功耗，也才10个mA左右的，所以节省5mA已经算是很不错的功耗优化了。

2.1.15.2. 带EDC的拷回操作以及Sector的定义（Copy-Back Operation with EDC & Sector Definition for EDC）

Copy-Back功能，简单的说就是，将一个页的数据，拷贝到另一个页。

如果没有Copy-Back功能，那么正常的做法就是，先要将那个页的数据拷贝出来放到内存的数据buffer中，读出来之后，再用写命令将这页的数据，写到新的页里面。

而Copy-Back功能的好处在于，不需要用到外部的存储空间，不需要读出来放到外部的buffer里面，而是可以直接读取数据到内部的页寄存器（page register）然后写到新的页里面去。而且，为了保证数据的正确，要硬件支持EDC（Error Detection Code）的，否则，在数据的拷贝过程中，可能会出现错误，并且拷贝次数多了，可能会累积更多错误。

而对于错误检测来说，硬件一般支持的是512字节数据，对应有16字节用来存放校验产生的ECC数值，而这512字节一般叫做一个扇区。对于2K＋64字节大小的页来说，按照512字节分，分别叫做A，B，C，D区，而后面的64字节的oob区域，按照16字节一个区，分别叫做E，F，G，H区，对应存放A，B，C，D数据区的ECC的值。

Copy-Back编程的主要作用在于，去掉了数据串行读取出来，再串行写入进去的时间，所以，而这部分操作，是比较耗时的，所以此技术可以提高编程效率，提高系统整体性能。

2.1.15.3. 多片同时编程(Simultaneously Program Multi Plane)

对于有些新出的Nand Flash，支持同时对多个片进行编程，比如上面提到的三星的K9K8G08U0A，内部包含4片(Plane)，分别叫做Plane0，Plane1，Plane2，Plane3。.由于硬件上，对于每一个Plane，都有对应的大小是2048+64=2112字节的页寄存器（Page Register），使得同时支持多个Plane编程成为可能。 K9K8G08U0A支持同时对2个Plane进行编程。不过要注意的是，只能对Plane0和Plane1或者Plane2和Plane3，同时编程，而不支持Plane0和Plane2同时编程。

2.1.15.4. 交错页编程（Interleave Page Program）

多片同时编程，是针对一个chip里面的多个Plane来说的，

而此处的交错页编程，是指对多个chip而言的。

可以先对一个chip，假设叫chip1，里面的一页进行编程，然后此时，chip1内部就开始将数据一点点写到页里面，就出于忙的状态了，而此时可以利用这个时间，对出于就绪状态的chip2，也进行页编程，发送对应的命令后，chip2内部也就开始慢慢的写数据到存储单元里面去了，也出于忙的状态了。此时，再去检查chip1，如果编程完成了，就可以开始下一页的编程了，然后发完命令后，就让其内部慢慢的编程吧，再去检查chip2，如果也是编程完了，也就可以进行接下来的其他页的编程了。如此，交互操作chip1和chip2，就可以有效地利用时间，使得整体编程效率提高近2倍，大大提高Nand Flash的编程/擦写速度了。

2.1.15.5. 随机输出页内数据（Random Data Output In a Page）

在介绍此特性之前，先要说说，与Random Data Output In a Page相对应的是，普通的，正常的，sequential data output in a page。

正常情况下，我们读取数据，都是先发读命令，然后等待数据从存储单元到内部的页数据寄存器中后，我们通过不断地将RE#(Read Enale，低电平有效)置低，然后从我们开始传入的列的起始地址，一点点读出我们要的数据，直到页的末尾，当然有可能还没到页地址的末尾，就不再读了。所谓的顺序（sequential）读取也就是，根据你之前发送的列地址的起始地址开始，每读一个字节的数据出来，内部的数据指针就加1，移到下个字节的地址，然后你再读下一个字节数据，就可以读出来你要的数据了，直到读取全部的数据出来为止。

而此处的随机（random）读取，就是在你正常的顺序读取的过程中，先发一个随机读取的开始命令0x05命令，再传入你要将内部那个数据指针定位到具体什么地址，也就是2个cycle的列地址，然后再发随机读取结束命令0xE0，然后，内部那个数据地址指针，就会移动到你所制定的位置了，你接下来再读取的数据，就是从那个制定地址开始的数据了。

而Nand Flash数据手册里面也说了，这样的随机读取，你可以多次操作，没限制的。

请注意，上面你所传入的地址，都是列地址，也就是页内地址，也就是说，对于页大小为2K的Nand Flash来说，所传入的地址，应该是小于2048+64＝2112的。

不过，实际在Nand Flash的使用中，好像这种用法很少的。绝大多数，都是顺序读取数据。

2.2. 软件方面

如果想要在Linux下编写Nand Flash驱动，那么就先要搞清楚Linux下，关于此部分的整个框架。弄明白，系统是如何管理你的Nand Flash的，以及，系统都帮你做了那些准备工作，而剩下的，驱动底层实现部分，你要去实现哪些功能，才能使得硬件正常工作起来。

2.2.1.内存技术设备，MTD（Memory Technology Device）

MTD，是Linux的存储设备中的一个子系统。其设计此系统的目的是，对于内存类的设备，提供一个抽象层，一个接口，使得对于硬件驱动设计者来说，可以尽量少的去关心存储格式，比如FTL，FFS2等，而只需要去提供最简单的底层硬件设备的读/写/擦除函数就可以了。而对于数据对于上层使用者来说是如何表示的，硬件驱动设计者可以不关心，而MTD存储设备子系统都帮你做好了。

对于MTD子系统的好处，简单解释就是，他帮助你实现了，很多对于以前或者其他系统来说，本来也是你驱动设计者要去实现的很多功能。换句话说，有了MTD，使得你设计Nand Flash的驱动，所要做的事情，要少很多很多，因为大部分工作，都由MTD帮你做好了。

当然，这个好处的一个“副作用”就是，使得我们不了解的人去理解整个Linux驱动架构，以及MTD，变得更加复杂。但是，总的说，觉得是利远远大于弊，否则，就不仅需要你理解，而且还是做更多的工作，实现更多的功能了。

此外，还有一个重要的原因，那就是，前面提到的Nand Flash和普通硬盘等设备的特殊性：

有限的通过出复用来实现输入输出命令和地址/数据等的IO接口，最小单位是页而不是常见的bit，写前需擦除等，导致了这类设备，不能像平常对待硬盘等操作一样去操作，只能采取一些特殊方法，这就诞生了MTD设备的统一抽象层。

MTD，将Nand Flash，nor flash和其他类型的flash等设备，统一抽象成MTD设备来管理，根据这些设备的特点，上层实现了常见的操作函数封装，底层具体的内部实现，就需要驱动设计者自己来实现了。具体的内部硬件设备的读/写/擦除函数，那就是你必须实现的了。

图表 12 MTD设备和硬盘设备之间的区别

HARD drives	MTD device
连续的扇区	连续的可擦除块
扇区都很小(512B,1024B)	可擦除块比较大 (32KB,128KB)
主要通过两个操作对其维护操作：读扇区，写扇区	主要通过三个操作对其维护操作：从擦除块中读，写入擦除块，擦写可擦除块
坏快被重新映射，并且被硬件隐藏起来了（至少是在如今常见的LBA硬盘设备中是如此）	坏的可擦除块没有被隐藏，软件中要处理对应的坏块问题。
HDD扇区没有擦写寿命超出的问题。	可擦除块是有擦除次数限制的，大概是10⁴-10⁵次.

多说一句，关于MTD更多的内容，感兴趣的，去附录中的MTD的主页去看。

关于mtd设备驱动，感兴趣的可以去参考附录中MTD设备的文章，该文章是比较详细地介绍了整个MTD框架和流程，方便大家理解整个mtd框架和Nand Flash驱动。

2.2.2.读操作的硬件到软件的映射

下面这部分主要介绍一下，关于硬件的设计和规范，是如何映射到具体的软件实现的，看了这部分内容之后，你对如何根据硬件的规范去用软件代码实现对应的功能，就有了大概的了解了，然后去实现对应的某硬件的驱动，就有了大概的脉络了。

关于硬件部分的细节，前面其实已经介绍过了，但是为了方便说明，此处还是以读操作为例去讲解硬件到软件是如何映射的。

再次贴出上面的那个图：

图表 13 Nand Flash数据读取操作的时序图

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对于上面的从①到⑥，每个阶段所表示的含义，再简单解释一下：

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。

上面的是内容，说的是硬件是如何设计的，而这硬件的设计，即硬件的逻辑时序是如何规定的，对应的软件实现，也就要如何实现。不过可以看出的是，其中很多步骤，比如步骤1和步骤4，那都是固定的，而且，即使其中的步骤2和步骤3，即使是不同厂家和不同的Nand Flash芯片，除了要写入的列地址和行地址可能不同之外，也都是逻辑一样的，同样地，步骤5和6，也都是一样的，唯一不同的，是每家不同的Nand Flash控制器不同，所以具体到步骤6的时候，去读出数据的方式不同，所以，那一部分肯定是你要实现Nand Flash驱动的时候要自己实现的，而对应的其他几个公有的步骤呢，就有了Linux的MTD层帮你实现好了，所以，下面就来介绍一下，关于读取一个Nand Flash的页Page，Linux的MTD层，是如何具体的帮你实现的：

关于Nand Flash的读操作，即读取一页的数据，这样的读数据的操作，很明显，是从上层文件系统传递过来的，其细节我们在此忽略，但是要知道，上层读取数据的请求，传递到了MTD这一层，其入口是哪个函数，然后我们才能继续往下面分析细节。

关于下面所要的介绍的代码，如果没有明确指出，都是位于此文件：

代码位置： driversmtdnandnand_base.c

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)

{

。。。。。。

while(1) {

。。。

/* ㈠：要读取数据，肯定是要先发送对应的读页（read page）的命令 */

chip– >cmdfunc(mtd, NAND_CMD_READ0, 0x00, page);

。。。

/* ㈡：发送完命令，接着就可以去调用read_page函数读取对应的数据了 */

ret = chip– >ecc.read_page(mtd, chip, bufpoi,

buf += bytes;

。。。

readlen – = bytes;

if (! readlen)

break;

/ * For subsequent reads align to page boundary. */

col = 0;

/ * Increment page address */

realpage++;

page = realpage & chip– >pagemask;

。。。

}

。。。

} ? end while 1 ?

。。。。。。

return mtd– >ecc_stats.corrected – stats.corrected ? – EUCLEAN : 0;

} ? end nand_do_read_ops ?

对于上述中步骤㈠的函数cmdfunc，一般来说可以不用自己的驱动中实现，而直接使用MTD层提供的已有的函数，nand_command_lp，其细节如下：

static void nand_command_lp(struct mtd_info *mtd, unsigned int command,

int column, int page_addr)

{

。。。

/ * 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;

/* 接下来是发送两个column，列地址，对应着上述步骤中的② */

chip– >cmd_ctrl(mtd, column, ctrl);

ctrl &= ~NAND_CTRL_CHANGE;

chip– >cmd_ctrl(mtd, column >> 8, ctrl);

}

if (page_addr ! = – 1) {

/* 然后发送三个row行地址，对应着上述步骤中的③ */

chip– >cmd_ctrl(mtd, page_addr, ctrl);

chip– >cmd_ctrl(mtd, page_addr >> 8, NAND_NCE | NAND_ALE);

/ * One more address cycle for devices > 128MiB */

if (chip– >chipsize > (128 << 20))

chip– >cmd_ctrl(mtd, page_addr >> 16, NAND_NCE | NAND_ALE);

}

} ? end if column! =- 1| | page_addr… ?

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) {

。。。

case NAND_CMD_READ0:

/* 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 */

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:

。。。

} ? end switch command ?

/ * 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);

} ? end nand_command_lp ?

对于之前的步骤㈡的函数read_page，一般来说也可以不用自己的驱动中实现，而直接使用MTD层提供的已有的函数，nand_read_page_hwecc，该函数所要实现的功能，正是上面余下没介绍的步骤⑥，即一点点的读出我们要的数据：

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);

/* 真正的数据读取，就是下面这个read_buf函数了 */

chip– >read_buf(mtd, p, eccsize);

chip– >ecc.calculate(mtd, p, &ecc_calc[i]);

}

。。。

} ? end nand_read_page_hwecc ?

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，那肯定要你的驱动自己实现。

对于我们这里的s3c2410的例子来说，就是s3c2410_nand_read_buf：

文件位置：driversmtdnands3c2410.c

static void s3c2410_nand_read_buf(struct mtd_info *mtd, u_char *buf, int len)

{

struct nand_chip *this = mtd->priv;

/* 到真正的地址去读取数据 */

readsb(this->IO_ADDR_R, buf, len);

}

可以看出，此处的实现相当地的简单，就是读取对应的IO的地址，然后就可以把数据读出来就可以了。不过，要注意的是，并不是所有的驱动都是这么简单，具体情况则是不同的Nand Flash控制器对应不同实现方法。

至此，关于整个的Nand Flash的读取一页的数据的操作，是如何将硬件的逻辑时序图，映射到对应的软件的实现的，就已经介绍完了。而看懂了这个过程，你才会更加明白，原来MTD层，已经帮助我们实现了很多很多通用的操作所对应的软件部分，而只需要我们实现剩下那些和具体硬件相关的操作的函数，就可以了，可以说大大减轻了驱动开发者的工作量。

因为，如果没了MTD层，那么上面那么多的函数，几乎都要我们自己实现，单单是代码量，就很庞大，而且再加上写完代码后的驱动测试功能是否正常，使得整个驱动开发，变得难的多得多。

2.2.3.Nand flash驱动工作原理

在介绍具体如何写Nand Flash驱动之前，我们先要了解，大概的整个系统，和Nand Flash相关的部分的驱动工作流程，这样，对于后面的驱动实现，才能更加清楚机制，才更容易实现，否则就是，即使写完了代码，也还是没搞懂系统是如何工作的了。

让我们以最常见的，Linux内核中已经有的三星的Nand Flash驱动，来解释Nand Flash驱动具体流程和原理。

此处是参考2.6.29版本的Linux源码中的driversmtdnands3c2410.c，以2410为例。

在Nand Flash驱动加载后，第一步，就是去调用对应的init函数，s3c2410_nand_init,去将在Nand Flash驱动注册到Linux驱动框架中。

驱动本身，真正开始，是从probe函数，s3c2410_nand_probe->s3c24xx_nand_probe,

在probe过程中，去用clk_enable打开Nand Flash控制器的clock时钟，用request_mem_region去申请驱动所需要的一些内存等相关资源。然后，在s3c2410_nand_inithw中，去初始化硬件相关的部分，主要是关于时钟频率的计算，以及启用Nand Flash控制器，使得硬件初始化好了，后面才能正常工作。

需要多解释一下的，是这部分代码：

for (setno = 0; setno < nr_sets; setno++, nmtd++) {

pr_debug(“initialising set %d (%p, info %p)n”, setno, nmtd, info);

/* 调用init chip去挂载你的nand 驱动的底层函数到Nand Flash的结构体中，以及设置对应的ecc mode，挂载ecc相关的函数 */

s3c2410_nand_init_chip(info, nmtd, sets);

/* scan_ident，扫描nand 设备，设置Nand Flash的默认函数，获得物理设备的具体型号以及对应各个特性参数，这部分算出来的一些值，对于Nand Flash来说，是最主要的参数，比如nand falsh的芯片的大小，块大小，页大小等。 */

nmtd->scan_res = nand_scan_ident(&nmtd->mtd,

(sets) ? sets->nr_chips : 1);

if (nmtd->scan_res == 0) {

s3c2410_nand_update_chip(info, nmtd);

/* scan tail，从名字就可以看出来，是扫描的后一阶段，此时，经过前面的scan_ident，我们已经获得对应Nand Flash的硬件的各个参数，然后就可以在scan tail中，根据这些参数，去设置其他一些重要参数，尤其是ecc的layout，即ecc是如何在oob中摆放的，最后，再去进行一些初始化操作，主要是根据你的驱动，如果没有实现一些函数的话，那么就用系统默认的。 */

nand_scan_tail(&nmtd->mtd);

/* add partion，根据你的Nand Flash的分区设置，去分区 */

s3c2410_nand_add_partition(info, nmtd, sets);

}

if (sets != NULL)

sets++;

}

等所有的参数都计算好了，函数都挂载完毕，系统就可以正常工作了。

上层访问你的nand falsh中的数据的时候，通过MTD层，一层层调用，最后调用到你所实现的那些底层访问硬件数据/缓存的函数中。

3. Linux下Nand Flash驱动编写步骤简介

关于上面提到的，在nand_scan_tail的时候，系统会根据你的驱动，如果没有实现一些函数的话，那么就用系统默认的。如果实现了自己的函数，就用你的。

估计很多人就会问了，那么到底我要实现哪些函数呢，而又有哪些是可以不实现，用系统默认的就可以了呢。

此问题的，就是我们下面要介绍的，也就是，你要实现的，你的驱动最少要做哪些工作，才能使整个Nand Flash工作起来。

3.1. 对于驱动框架部分

其实，要了解，关于驱动框架部分，你所要做的事情的话，只要看看三星的整个Nand Flash驱动中的这个结构体，就差不多了：

static struct platform_driver s3c2410_nand_driver = {

.probe = s3c2410_nand_probe,

.remove = s3c2410_nand_remove,

.suspend = s3c24xx_nand_suspend,

.resume = s3c24xx_nand_resume,

.driver = {

.name = “s3c2410-nand”,

.owner = THIS_MODULE,

};

对于上面这个结构体，没多少要解释的。从名字，就能看出来：

（1）probe就是系统“探测”，就是前面解释的整个过程，这个过程中的多数步骤，都是和你自己的Nand Flash相关的，尤其是那些硬件初始化部分，是你必须要自己实现的。

（2）remove，就是和probe对应的，“反初始化”相关的动作。主要是释放系统相关资源和关闭硬件的时钟等常见操作了。

(3)suspend和resume，对于很多没用到电源管理的情况下，至少对于我们刚开始写基本的驱动的时候，可以不用关心，放个空函数即可。

3.2. 对于Nand Flash底层操作实现部分

而对于底层硬件操作的有些函数，总体上说，都可以在上面提到的s3c2410_nand_init_chip中找到：

static void s3c2410_nand_init_chip(struct s3c2410_nand_info *info,

struct s3c2410_nand_mtd *nmtd,

struct s3c2410_nand_set *set)

{

struct nand_chip *chip = &nmtd->chip;

void __iomem *regs = info->regs;

chip->write_buf = s3c2410_nand_write_buf;

chip->read_buf = s3c2410_nand_read_buf;

chip->select_chip = s3c2410_nand_select_chip;

chip->chip_delay = 50;

chip->priv = nmtd;

chip->options = 0;

chip->controller = &info->controller;

switch (info->cpu_type) {

case TYPE_S3C2410:

/* Nand Flash控制器中，一般都有对应的数据寄存器，用于给你往里面写数据，表示将要读取或写入多少个字节(byte,u8)/字(word,u32) ，所以，此处，你要给出地址，以便后面的操作所使用 */

chip->IO_ADDR_W = regs + S3C2410_NFDATA;

info->sel_reg = regs + S3C2410_NFCONF;

info->sel_bit = S3C2410_NFCONF_nFCE;

chip->cmd_ctrl = s3c2410_nand_hwcontrol;

chip->dev_ready = s3c2410_nand_devready;

break;

。。。。。。

}

chip->IO_ADDR_R = chip->IO_ADDR_W;

nmtd->info = info;

nmtd->mtd.priv = chip;

nmtd->mtd.owner = THIS_MODULE;

nmtd->set = set;

if (hardware_ecc) {

chip->ecc.calculate = s3c2410_nand_calculate_ecc;

chip->ecc.correct = s3c2410_nand_correct_data;

/* 此处，多数情况下，你所用的Nand Flash的控制器，都是支持硬件ECC的，所以，此处设置硬件ECC(HW_ECC) ，也是充分利用硬件的特性，而如果此处不用硬件去做的ECC的话，那么下面也会去设置成NAND_ECC_SOFT，系统会用默认的软件去做ECC校验，相比之下，比硬件ECC的效率就低很多，而你的Nand Flash的读写，也会相应地要慢不少*/

chip->ecc.mode = NAND_ECC_HW;

switch (info->cpu_type) {

case TYPE_S3C2410:

chip->ecc.hwctl = s3c2410_nand_enable_hwecc;

chip->ecc.calculate = s3c2410_nand_calculate_ecc;

break;

。。。。。

}

} else {

chip->ecc.mode = NAND_ECC_SOFT;

}

if (set->ecc_layout != NULL)

chip->ecc.layout = set->ecc_layout;

if (set->disable_ecc)

chip->ecc.mode = NAND_ECC_NONE;

}

而我们要实现的底层函数，也就是上面蓝色标出来的一些函数而已：

（1）s3c2410_nand_write_buf 和 s3c2410_nand_read_buf：这是两个最基本的操作函数，其功能，就是往你的Nand Flash的控制器中的FIFO读写数据。一般情况下，是MTD上层的操作，比如要读取一页的数据，那么在发送完相关的读命令和等待时间之后，就会调用到你底层的read_buf，去Nand Flash的FIFO中，一点点把我们要的数据，读取出来，放到我们制定的内存的缓存中去。写操作也是类似，将我们内存中的数据，写到Nand Flash的FIFO中去。

（2）s3c2410_nand_select_chip ：实现Nand Flash的片选。

（3）s3c2410_nand_hwcontrol：给底层发送命令或地址，或者设置具体操作的模式，都是通过此函数。

（4）s3c2410_nand_devready：Nand Flash的一些操作，比如读一页数据，写入（编程）一页数据，擦除一个块，都是需要一定时间的，在命发送完成后，就是硬件开始忙着工作的时候了，而硬件什么时候完成这些操作，什么时候不忙了，变就绪了，就是通过这个函数去检查状态的。一般具体实现都是去读硬件的一个状态寄存器，其中某一位是否是1，对应着是出于“就绪/不忙”还是“忙”的状态。这个寄存器，也就是我们前面分析时序图中的R/B#。

（5）s3c2410_nand_enable_hwecc：在硬件支持的前提下，前面设置了硬件ECC的话，要实现这个函数，用于每次在读写操作前，通过设置对应的硬件寄存器的某些位，使得启用硬件ECC，这样在读写操作完成后，就可以去读取硬件校验产生出来的ECC数值了。

（6）s3c2410_nand_calculate_ecc：如果是上面提到的硬件ECC的话，就不用我们用软件去实现校验算法了，而是直接去读取硬件产生的ECC数值就可以了。

（7）s3c2410_nand_correct_data：当实际操作过程中，读取出来的数据所对应的硬件或软件计算出来的ECC，和从oob中读出来的ECC不一样的时候，就是说明数据有误了，就需要调用此函数去纠正错误。对于现在SLC常见的ECC算法来说，可以发现2位，纠正1位。如果错误大于1位，那么就无法纠正回来了。一般情况下，出错超过1位的，好像几率不大。至少我看到的不是很大。更复杂的情况和更加注重数据安全的情况下，一般是需要另外实现更高效和检错和纠错能力更强的ECC算法的。