NAND FLASH驅動框架以及程序實現

1、NAND FLASH的硬件連接：

實驗用的NAND FLASH芯片為K9F2G08U0C，它是三星公司的存儲芯片，它的大小為256M。它的接線圖如下所示：

它的每個引腳的分別為LDATA0-LDATA7為數據引腳、CLE為發送命令使能引腳、ALE為發送地址使能引腳、CE為芯片使能引腳、WE為寫使能引腳、WP為寫保護引腳、R/B為芯片是否繁忙的狀態指示引腳，如下圖所示：

 

2、NAND FLASH的操作：

根據NAND FLASH的芯片手冊可以知道需要操作NAND FLASH一般的流程是發出命令、發出地址、發出數據/讀數據，下面依次分析。

a、發命令，對於NAND FLASH芯片來說需要1、選中芯片（CE為低電平）；2、CLE設為高電平、ALE設為低電平；3、在DATA0-DATA7上輸出命令數據；4、在WE上發出一個上升沿的信號。這樣命令數據就會被寫入命令的命令寄存器。而對於S3C2440來說，只要簡單的令NFCMD寄存器為命令值S3C2440的NAND控制器就可以完成1-4的操作。

 

b、發地址，對於NAND FLASH芯片來說需要1、選中芯片（CE為低電平）；2、ALE設為高電平、CLE設為低電平；3、在DATA0-DATA7上輸出地址數據；4、在WE上發出一個上升沿的信號。這樣地址數據就會被寫入地址寄存器。分析圖中可知需要5個字節的地址。而對於S3C2440來說，只要簡單的令NFADDR寄存器為地址值S3C2440的NAND控制器就可以完成1-4的操作。

 

c、發數據/讀數據，對於NAND FLASH芯片來說需要1、選中芯片（CE為低電平）；2、ALE設為低電平、CLE設為低電平；3、在DATA0-DATA7上輸出數據或讀入數據；4、在WE上發出一個上升沿的信號，這樣數據就會被寫入、在RE上發出一個上升沿信號，這樣數據就會被讀出。而對於S3C2440來說，只要簡單的令NFDATA寄存器為數據值或讀NFDATA寄存器，S3C2440的NAND控制器就可以完成1-4的操作。

 

 

3、讀NAND FLASH數據：

從圖中可以看出要讀FLASH某個地址的數據需要先發出0x00命令、在發出5字節地址、接着發出0x30命令，過一會等R/B信號不忙之后就可以連續的在RE信號的上升沿時讀出數據了。

4、讀芯片的ID

讀芯片的ID很簡單，只要先寫入0x90命令，再接着寫入0x00地址。接着就可以讀出連續的5個字節的芯片ID了，對於K9F2G08U0C，它的芯片ID是EC DA 10 15 44，如下圖：

 

5、NAND FLASH的驅動框架，對與NAND FLASH這個設備，LINUX已經給我們分好了框架，它將穩定的協議層等都做在一個層里面，而將與硬件相關的做在另外一個層里面，而我們寫驅動只要更改與硬件相關的方面就可以了。框架如下：

下面從LINUX的啟動信息可以得到“S3C24XX NAND Driver”字樣，在內核源碼中搜索它，可以在drivers\mtd\nand\s3c2410.c文件中得到以下的一些調用層次關系：

s3c2410_nand_init
    s3c2440_nand_probe
        s3c2410_nand_inithw
        s3c2410_nand_init_chip
        nand_scan    // drivers\mtd\nand\nand_base.c 根據nand_chip的底層操作函數構造mtd_info
            nand_scan_ident
                nand_set_defaults
                    if (!chip->select_chip)
                        chip->select_chip = nand_select_chip;/*  默認值不適用 */

                    if (chip->cmdfunc == NULL)
                        chip->cmdfunc = nand_command;
                    if (chip->waitfunc == NULL)
                        chip->waitfunc = nand_wait;
                nand_get_flash_type
                    chip->select_chip(mtd, 0);
                    chip->cmdfunc(mtd, NAND_CMD_READID, 0x00, -1);
                    *maf_id = chip->read_byte(mtd)
                    dev_id = chip->read_byte(mtd);
            nand_scan_tail
                mtd->erase = nand_erase
                mtd->read = nand_read;
                mtd->write = nand_write;
        
        s3c2410_nand_add_partition
            add_mtd_device
                list_for_each(this, &mtd_notifiers) { // 問. mtd_notifiers在哪里設置
                                   // 答. drivers/mtd/mtd_blkdevs.c,mtdchar.c調用register_mtd_user
                        struct mtd_notifier *not = list_entry(this, struct mtd_notifier, list);
                        not->add(mtd);
                        // mtd_notify_add 和 blktrans_notify_add
                        先看字符設備mtd_notify_add
                            class_device_create
                            class_device_create
                        再看塊設備blktrans_notify_add
                            list_for_each(this, &blktrans_majors) { // 問. blktrans_majors在哪設置
                                                   //  答. drivers\mtd\mdblock.c或mdblock_ro.c調用register_mtd_blktrans      //注冊隊列     
                                struct mtd_blktrans_ops *tr = list_entry(this, struct mtd_blktrans_ops, list);

                                tr->add_mtd(tr, mtd);
                                    mtdblock_add_mtd
                                        add_mtd_blktrans_dev
                                            alloc_disk
                                            set_capacity
                                            gd->queue = tr->blkcore_priv->rq;//blk_init_queue(mtd_blktrans_request, &tr->blkcore_priv->queue
                                            add_disk
                            }
                    }

接着搜索“end_request”這個塊設備驅動程序的通用函數來找到NAND FLASH塊設備的請求函數，在drivers\mtd\mtd_blkdevs.c 文件中搜多到了它。通過這個文件可以看到塊設備的通用框架的流程：

mtd_blktrans_ops->blkcore_priv-rq
gd->queue = tr->blkcore_priv->rq;
    struct mtd_blktrans_ops *tr = new->tr;
        int add_mtd_blktrans_dev(struct mtd_blktrans_dev *new)
            add_mtd_blktrans_dev(dev);
                mtdblock_add_mtd(struct mtd_blktrans_ops *tr, struct mtd_info *mtd)
                    static void blktrans_notify_add(struct mtd_info *mtd)
                        static void blktrans_notify_add(struct mtd_info *mtd)
                        {
                            struct list_head *this;

                            if (mtd->type == MTD_ABSENT)
                            return;

                            list_for_each(this, &blktrans_majors) {
                            struct mtd_blktrans_ops *tr = list_entry(this, struct mtd_blktrans_ops, list);

                            tr->add_mtd(tr, mtd);
                        }
                            list_for_each(this, &mtd_notifiers) {//從頭到尾訪問mtd_notifiers鏈表
                                                              struct mtd_notifier *not = list_entry(this, struct mtd_notifier, list);
                                not->add(mtd);//調用mtd_notifier結構體的add函數
                            }
                                add_mtd_device(struct mtd_info *mtd)
                                    
                                    add_mtd_partitions(s3c_mtd, s3c_nand_parts, 4);
                

讀函數mtd_blktrans_ops->readsect
寫函數mtd_blktrans_ops->writesect

首先NAND FLASH驅動框架也是采用驅動分層分離的方法

最終分析下來，NAND FLASH驅動框架涉及到的文件有：drivers\mtd\mtdcore.c 、drivers\mtd\mtd_blkdevs.c、drivers\mtd\mdblock.c、drivers\mtd\nand\nand_base.c、drivers\mtd\nand\s3c2410.c等

最終分析出讀函數為mtd_blktrans_ops->readsect；寫函數為mtd_blktrans_ops->writesect。最終定位到mtd->read與mtd->write，而這兩個函數又可以定位到nand_read、nand_write；接着向下定位可以定位到nand_chip->select_chip、nand_chip->cmd_ctrl、nand_chip->IO_ADDR_R、nand_chip->IO_ADDR_W、nand_chip->dev_ready等等。

 

6、NAND FLASH的驅動程序的編寫、測試

 在第5部分最后已經分析到了需要我們提供的幾個函數和參數，下面直接貼出代碼：

/* 參考
 * S3c2410.c   (drivers\mtd\nand)     
 * At91_nand.c (drivers\mtd\nand)
 */

#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/ioport.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/err.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/clk.h>

#include <linux/mtd/mtd.h>
#include <linux/mtd/nand.h>
#include <linux/mtd/nand_ecc.h>
#include <linux/mtd/partitions.h>

#include <asm/io.h>

#include <asm/arch/regs-nand.h>
#include <asm/arch/nand.h>

struct s3c_nand_regs
{
    unsigned long nfconf  ;
    unsigned long nfcont  ;
    unsigned long nfcmd   ;
    unsigned long nfaddr  ;
    unsigned long nfdata  ;
    unsigned long nfeccd0 ;
    unsigned long nfeccd1 ;
    unsigned long nfeccd  ;
    unsigned long nfstat  ;
    unsigned long nfestat0;
    unsigned long nfestat1;
    unsigned long nfmecc0 ;
    unsigned long nfmecc1 ;
    unsigned long nfsecc  ;
    unsigned long nfsblk  ;
    unsigned long nfeblk  ;
};

 
static struct nand_chip *s3c_nand;
static struct mtd_info *s3c_mtd;
static struct s3c_nand_regs *s3c_nand_regs;

static struct mtd_partition s3c_nand_parts[] = {
    [0] = {
        .name   = "bootloader",
        .size   = 0x00040000,
        .offset    = 0,
    },
    [1] = {
        .name   = "params",
        .offset = MTDPART_OFS_APPEND,
        .size   = 0x00020000,
    },
    [2] = {
        .name   = "kernel",
        .offset = MTDPART_OFS_APPEND,
        .size   = 0x00200000,
    },
    [3] = {
        .name   = "root",
        .offset = MTDPART_OFS_APPEND,
        .size   = MTDPART_SIZ_FULL,
    }
};

static void s3c2440_select_chip(struct mtd_info *mtd, int chipnr)
{
    if(-1 == chipnr)
    {
        /* 取消選中：NFCONT[1]設為1 */    
        s3c_nand_regs->nfcont |= (1<<1);    
    }
    else
    {
        /* 選中：NFCONT[1]設為0 */
        s3c_nand_regs->nfcont &= ~(1<<1);
    }
}

static void s3c_cmd_ctrl(struct mtd_info *mtd, int dat, unsigned int ctrl)
{
    if (ctrl & NAND_CLE)
    {
        /* 發命令：NFCMD = dat */
        s3c_nand_regs->nfcmd = dat;
    }
    else
    {
        /* 發地址: NFADDR = dat  */
        s3c_nand_regs->nfaddr = dat;
    }
}

static int s3c2440_dev_ready(struct mtd_info *mtd)
{
    return (s3c_nand_regs->nfstat & (1<<0));
}

static int s3c_nand_init(void)
{
    struct clk *clk;
    /* 1.分配一個nand_chip結構體 */
    s3c_nand = kzalloc(sizeof(struct nand_chip), GFP_KERNEL);
    
    s3c_nand_regs = ioremap(0x4e000000,sizeof(struct s3c_nand_regs));
    
    /* 2.設置 */
    /* 設置nand_chip是給nand_scan函數使用的，如果不知道怎么設置，先看nand_scan怎么使用 
     * 它應該提供：選中、發命令、發地址、發數據、判斷狀態的功能 
     */
    s3c_nand->select_chip = s3c2440_select_chip;
    s3c_nand->cmd_ctrl = s3c_cmd_ctrl;
    s3c_nand->IO_ADDR_R = &s3c_nand_regs->nfdata;
    s3c_nand->IO_ADDR_W = &s3c_nand_regs->nfdata;
    s3c_nand->dev_ready = s3c2440_dev_ready;
    s3c_nand->ecc.mode  = NAND_ECC_SOFT;    /* enable ECC */
    
    /* 3.硬件相關的設置: 根據NAND FLash的手冊設置時間參數*/
    /* 使能NAND FLASH控制器的時鍾 */
    clk = clk_get(NULL, "nand");
    clk_enable(clk); /* CLKCON bit[4] */
    
    /* HCLK=100MHZ 
     * TACLS:發出CLE/ALE之后多長時間才發出nWE信號，從NAND手冊可知可以同時發出，所以TACLS=0
     * TWPRH0:nWE的脈沖寬度，HCLK*(TWPRHO+1),從NAND手冊可知，需要>=12ns，所以TWPRHO>=1
     * TWRPH1:nWE為高電平之后多長時間CLE/ALE才能變為低電平，從NAND手冊可知它要>=5ns，所以TWRPH1>=0
     */
#define TACLS  0
#define TWPRH0 1
#define TWRPH1 0
    s3c_nand_regs->nfconf = (TACLS << 12) | (TWPRH0 << 8) | (TWRPH1<<4);
    
    /* NFCONT:
     * BIT1設為1，取消片選
     * BIT0設為1，使能NAND FLASH控制器
     */
    s3c_nand_regs->nfcont = (1<<1) | (1<<0);
    
    /* 4.使用:nand_scan */
    s3c_mtd = kzalloc(sizeof(struct mtd_info), GFP_KERNEL);
    s3c_mtd->priv  = s3c_nand;
    s3c_mtd->owner = THIS_MODULE;
    
    nand_scan(s3c_mtd,1);/* 識別NAND FLASH，構造mtd_info */
    
    /* 5.add_mtd_partitions */
    add_mtd_partitions(s3c_mtd, s3c_nand_parts, 4);
     
    return 0;
}

static void s3c_nand_exit(void)
{
    del_mtd_partitions(s3c_mtd);
    kfree(s3c_mtd);
    iounmap(s3c_nand_regs);
    kfree(s3c_nand);
}

module_init(s3c_nand_init);
module_exit(s3c_nand_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

另外介紹下NAND FLASH的缺點就是存在位反轉，而這也可以有方法解決：

解決：

1、寫PAGE

2、生成ECC碼
3、把ECC寫入OOB
讀1、讀PAGE

2、讀OOB里的ECC
3、重新計算ECC
4、比較計算的ECC與讀出的ECC。計算出哪一位發生了位反轉。

采用軟件的方法計算ECC，只要讓s3c_nand->ecc.mode = NAND_ECC_SOFT;就可以實現。

下面進行代碼的測試：

測試：
1、make menuconfig去掉內核自帶的nand flash驅動
2、make uImage
使用新內核啟動，並且使用NFS作為根文件系統

3、insmod insmod S3c_nand.ko后產生12個設備：8個字符設備、4個塊設備

4、mount -t jffs2 /dev/mtdblock3 /mnt

5、格式化 （參考下面編譯工具）

6、掛接

編譯工具：
1、tar xjf mtd-utils-05.7.23.tar.bz2
2、cd mtd-utils-05.07.23/util
3、修改Makefile
#CROSS=arm-linux-
改為CROSS=arm-linux-
4、make
5、cp flash_erase flash_eraseall /work/nfs_andy/first_fs/bin/
6、flash_eraseall /dev/mtd3
7、mount -t jffs2 /dev/mtdblock3 /mnt

可以看到mnt下面有之前的文件系統，到這里NAND FLASH驅動測試成功。