大約用了兩個禮拜不到的時間為公司的IPcamera系統(tǒng)寫了基于MTD的NAND驅(qū)動(linux-2.6.22.10內(nèi)核)，目前已可以在該驅(qū)動的支持下跑cramfs和jffs2文件系統(tǒng)，另外，該驅(qū)動也可以同時支持small page(每頁512 Byte)和big page(每頁2048 Byte)兩種NAND芯片。在此整理一下與NAND驅(qū)動相關(guān)的概念，結(jié)構(gòu)體，驅(qū)動框架和流程，同時分析一下基于MTD的NAND驅(qū)動的部分函數(shù)，尤其是其中的nand_scan()函數(shù)。(涉及到具體NAND芯片時，若不做說明，將以small page的NAND芯片為例。)
注：個人理解，有誤難免！—— 筆者：曹榮榮
MTD 驅(qū)動程序是專門針對嵌入式Linux的一種驅(qū)動程序，相對于常規(guī)塊設(shè)備驅(qū)動程序（比如PC中的IDE硬盤）而言，MTD驅(qū)動程序能更好的支持和管理閃存設(shè)備，因為它本身就是專為閃存設(shè)備而設(shè)計的。
具體地講，基于MTD的FLASH驅(qū)動，承上可以很好地支持cramfs，jffs2和yaffs等文件系統(tǒng)，啟下也能對FLASH的擦除，讀寫，FLASH壞塊以及損耗平衡進行很好的管理。所謂損耗平衡，是指對NAND的擦寫不能總是集中在某一個或某幾個block中，這是由NAND芯片有限的擦寫次數(shù)的特性決定的。
總之，在現(xiàn)階段，要為FLASH設(shè)備開發(fā)Linux下的驅(qū)動程序，那么基于MTD的開發(fā)將幾乎是省時又省力的唯一選擇！
一、NAND和NOR的區(qū)別
Google “Nand Flash和Nor Flash的區(qū)別”。
簡單點說，主要的區(qū)別就是：
1、 NAND比NOR便宜；NAND的容量比NOR大（指相同成本）；NAND的擦寫次數(shù)是NOR的十倍；NAND的擦除和寫入速度比NOR快，讀取速度比NOR稍慢；
2、 NAND和NOR的讀都可以以字節(jié)為單位，但NAND的寫以page為單位，而NOR可以隨機寫每一個字節(jié)。NAND和NOR的擦除都以block為單位，但一般NAND的block比NOR的block小。另外，不管是NAND還是NOR，在寫入前，都必須先進行擦除操作，但是NOR在擦除前要先寫0；
3、 NAND不能在片內(nèi)運行程序，而NOR可以。但目前很多CPU都可以在上電時，以硬件的方式先將NAND的第一個block中的內(nèi)容（一般是程序代碼，且也許不足一個block，如2KB大?。┳詣?font face="Times New Roman">copy到ram中，然后再運行，因此只要CPU支持，NAND也可以當(dāng)成啟動設(shè)備；
4、 NAND和NOR都可能發(fā)生比特位反轉(zhuǎn)（但NAND反轉(zhuǎn)的幾率遠大于NOR），因此這兩者都必須進行ECC操作；NAND可能會有壞塊（出廠時廠家會對壞塊做標(biāo)記），在使用過程中也還有可能會出現(xiàn)新的壞塊，因此NAND驅(qū)動必須對壞塊進行管理。
二、內(nèi)核樹中基于MTD的NAND驅(qū)動代碼的布局
在Linux內(nèi)核中，MTD源代碼放在linux-2.6.22.10/driver/mtd目錄中，該目錄中包含chips、devices、maps、nand、onenand和ubi六個子目錄。
其中只有nand和onenand目錄中的代碼才與NAND驅(qū)動相關(guān)，不過nand目錄中的代碼比較通用，而onenand目錄中的代碼相對于nand中的代碼而言則簡化了很多，它是針對三星公司開發(fā)的另一類Flash芯片，即OneNAND Flash。我尚未對OneNandFLASH有過研究，只是通過網(wǎng)上資料得知，OneNand FLASH克服了傳統(tǒng)NANDFlash接口復(fù)雜的缺點，具有接口簡單、讀寫速度快、容量大、壽命長、成本低等優(yōu)點，因此應(yīng)該是一種較常用NAND先進的FLASH吧，只是目前似乎普及率并不高，本文也將不做討論。
因此，若只是開發(fā)基于MTD的NAND驅(qū)動程序，那么我們需要關(guān)注的代碼就基本上全在linux-2.6.22.10/drivers/mtd/nand目錄中了，而該目錄中也不是所有的代碼文件都與我們將要開發(fā)的NAND驅(qū)動有關(guān)，除了Makefile和Kconfig之外，其中真正與NAND驅(qū)動有關(guān)的代碼文件只有6個，即：
1、 nand_base.c：
定義了NAND驅(qū)動中對NAND芯片最基本的操作函數(shù)和操作流程，如擦除、讀寫page、讀寫oob等。當(dāng)然這些函數(shù)都只是進行一些default的操作，若你的系統(tǒng)在對NAND操作時有一些特殊的動作，則需要在你自己的驅(qū)動代碼中進行定義，然后Replace這些default的函數(shù)。
2、 nand_bbt.c：
定義了NAND驅(qū)動中與壞塊管理有關(guān)的函數(shù)和結(jié)構(gòu)體。
3、 nand_ids.c：
定義了兩個全局類型的結(jié)構(gòu)體：struct nand_flash_dev nand_flash_ids[ ]和struct nand_manufacturers nand_manuf_ids[ ]。其中前者定義了一些NAND芯片的類型，后者定義了NAND芯片的幾個廠商。NAND芯片的ID至少包含兩項內(nèi)容：廠商ID和廠商為自己的NAND芯片定義的芯片ID。當(dāng)NAND驅(qū)動被加載的時候，它會去讀取具體NAND芯片的ID，然后根據(jù)讀取的內(nèi)容到上述定義的nand_manuf_ids[ ]和nand_flash_ids[ ]兩個結(jié)構(gòu)體中去查找，以此判斷該NAND芯片是那個廠商的產(chǎn)品，以及該NAND芯片的類型。若查找不到，則NAND驅(qū)動就會加載失敗，因此在開發(fā)NAND驅(qū)動前必須事先將你的NAND芯片添加到這兩個結(jié)構(gòu)體中去（其實這兩個結(jié)構(gòu)體中已經(jīng)定義了市場上絕大多數(shù)的NAND芯片，所以除非你的NAND芯片實在比較特殊，否則一般不需要額外添加）。值得一提的是，nand_flash_ids[ ]中有三項屬性比較重要，即pagesize、chipsize和erasesize，驅(qū)動就是依據(jù)這三項屬性來決定對NAND芯片進行擦除，讀寫等操作時的大小的。其中pagesize即NAND芯片的頁大小，一般為256、512或2048；chipsize即NAND芯片的容量；erasesize即每次擦除操作的大小，通常就是NAND芯片的block大小。
4、 nand_ecc.c：
定義了NAND驅(qū)動中與softeware ECC有關(guān)的函數(shù)和結(jié)構(gòu)體，若你的系統(tǒng)支持hardware ECC，且不需要software ECC，則該文件也不需理會。
5、 nandsim.c：
定義了Nokia開發(fā)的模擬NAND設(shè)備，默認是Toshiba NAND 8MiB 1,8V 8-bit（根據(jù)ManufactureID），開發(fā)普通NAND驅(qū)動時不用理會。
6、 diskonchip.c：
定義了片上磁盤(DOC)相關(guān)的一些函數(shù)，開發(fā)普通NAND驅(qū)動時不用理會。
除了上述六個文件之外，nand目錄中其他文件基本都是特定系統(tǒng)的NAND驅(qū)動程序例子，但本人看來真正有參考價值的只有cafe_nand.c和s3c2410.c兩個，而其中又尤以cafe_nand.c更為詳細，另外，nand目錄中也似乎只有cafe_nand.c中的驅(qū)動程序在讀寫NAND芯片時用到了DMA操作。
綜上所述，若要研究基于MTD的NAND驅(qū)動，其實所需閱讀的代碼量也不是很大。
另外，在動手寫NAND驅(qū)動之前，也許需要讀一下以下文檔：
1、 Linux MTD 源代碼分析：
該文檔可以讓我們對MTD有一個直觀而又相對具體的認識，但它似乎主要是針對NOR FLASH的，對于實際開發(fā)NAND驅(qū)動的幫助并不是很大。
2、 MTD NAND Driver Programming Interface：
該文檔中關(guān)于ECC的說明很有幫助。
3、 MTD的官方網(wǎng)站：
三、NAND相關(guān)原理
在我們開始NAND驅(qū)動編寫之前，至少應(yīng)該知道：數(shù)據(jù)在NAND中是怎樣存儲的，以及以怎樣的方式從NAND中讀寫數(shù)據(jù)時。
1、 NAND的存儲結(jié)構(gòu)和操作方式
這方面的資料可以從任意一種NAND的datasheet中得到，因為基本上每一種NAND的datasheet都會介紹NAND的組成結(jié)構(gòu)和操作命令，而且事實上，大多數(shù)的NAND datasheet都大同小異，所不同的大概只是該NAND芯片的容量大小和讀寫速度等基本特性。
這里以每頁512字節(jié)的NAND FLASH為例簡單說明一下：每一塊NAND芯片由n個block組成－>每一個block由m個page組成－>每一個page由256字節(jié)大小的column1(也稱1st half page)、256字節(jié)大小的column2(也稱2nd half page)和16字節(jié)大小的oob(out-of-band，也稱spare area)組成。至于m和n的大小可以查看特定NAND的datasheet。相應(yīng)的，若給定NAND中的一個字節(jié)的地址，我們可以根據(jù)這個地址算出block地址(即第幾個block)、page地址(即該block中的第幾個page)和column地址(即1st half page，或2nd half page，或oob中的第幾個字節(jié))。
在擦除NAND時，必須每次至少擦除1個block；在寫NAND時，必須每次寫1個page(有些NAND也支持寫不足一個page大小的數(shù)據(jù))；在讀NAND時，分為三種情況(對應(yīng)三種不同的NAND命令)，即讀column1、讀column2和讀oob，那么為什么要分這三種情況呢？假如知道NAND怎樣根據(jù)給定的地址確定它的存儲單元，那么自然也就能明白原因了，其實也并不復(fù)雜，主要是因為給定地址中的A8并不在NAND的視野范圍之內(nèi)(也許表達并不準(zhǔn)確)。
事實上，在寫基于MTD的NAND驅(qū)動時，我們并不需要實現(xiàn)精確到讀寫某一個byte地址的函數(shù)(除了讀oob之外)，這是因為：
基于MTD的NAND驅(qū)動在讀寫NAND時，可以分兩種情況，即：(1)不進行ECC檢測時，一次讀寫一整個page中的MAIN部分(也就是那真實存儲數(shù)據(jù)的512字節(jié))；(2)進行ECC檢測時(不管是hardware ECC還是software ECC)，一次讀寫一整個page(包括16字節(jié)的oob部分)。所以部分NAND所支持的寫不足一個page大小數(shù)據(jù)的功能，對MTD來說是用不著的。
那么，如果只需要讀寫不足一個page大小的數(shù)據(jù)怎么辦？這是MTD更上層的部分需要處理的事。也就是說，對于NAND驅(qū)動來說，它只會讀寫整整一個page的數(shù)據(jù)！
最后值得一提的是，NAND驅(qū)動有可能只去讀oob部分，這是因為除了ECC信息之外，壞塊信息也存儲在oob之中，NAND驅(qū)動需要讀取oob中描述壞塊的那個字節(jié)(通常是每個block的第一個page的oob中的第六個字節(jié))來判斷該block是不是一個壞塊。所以，我們只有在讀oob時，才需要實現(xiàn)精確到讀某一個byte地址的函數(shù)。
由此，我們也可以額外知道一件事，那就是NAND驅(qū)動中用到的column地址只在讀oob時才有用，而在其他情況下，column地址都為0。
2、 ECC相關(guān)的結(jié)構(gòu)體
struct nand_ecclayout {
uint32_t eccbytes;
uint32_t eccpos[64];
uint32_t oobavail;
struct nand_oobfree oobfree[MTD_MAX_OOBFREE_ENTRIES];
};
這是用來定義ECC在oob中布局的一個結(jié)構(gòu)體。
前面已經(jīng)提及過，oob中主要存儲兩種信息：壞塊信息和ECC數(shù)據(jù)。對與small page的NAND芯片來說，其中壞塊信息占據(jù)1個字節(jié)(一般固定在第六個字節(jié))，ECC數(shù)據(jù)占據(jù)三個字節(jié)。所以sturct nand_ecclayout這個結(jié)構(gòu)體，也就是用來告訴那些與ECC操作無關(guān)的函數(shù)，Nand芯片的oob部分中，哪些字節(jié)是用來存儲ECC的(即不可用作它用的)，哪些字節(jié)是空閑的，即可用的。
其實之所以有這個結(jié)構(gòu)體，主要是因為硬件ECC的緣故。以寫數(shù)據(jù)為例，在使用硬件ECC的情況下，那三個字節(jié)的ECC數(shù)據(jù)是由硬件計算得到，并且寫到NAND芯片的oob中去的，同時也是由硬件決定寫到oob的哪三個字節(jié)中去。這些都是由硬件做的，而NAND驅(qū)動并不知道，所以就需要用這個結(jié)構(gòu)體來告訴驅(qū)動了。
所以，在寫NAND驅(qū)動時，就有可能需要對這個結(jié)構(gòu)體進行賦值。這里說“有可能”，是因為MTD對這個結(jié)構(gòu)體有一個默認的賦值，假如這個賦值所定義的ECC位置與你的硬件一致的話，那就不必在你的驅(qū)動中手動賦值了。其實對大多數(shù)硬件(這里所說的硬件，不是指NAND芯片，而是NAND控制器)來說，是不必手動賦值的，但也有許多例外。
值得一提的是，這個結(jié)構(gòu)體不僅僅用來定義ECC布局，也可以用來將你的驅(qū)動在oob中需要額外用到的字節(jié)位置保護起來。
現(xiàn)在對struct nand_ecclayout 這個結(jié)構(gòu)體進行一下說明。
uint32_t eccbytes：ECC的字節(jié)數(shù)，對于512B-per-page的NAND來說，eccbytes = 3，如果你需要額外用到oob中的數(shù)據(jù)，那么也可以大于3.
uint32_t eccpos[64]：ECC數(shù)據(jù)在oob中的位置，這里之所以是個64字節(jié)的數(shù)組，是因為對于2048-per-page的NAND來說，它的oob有64個字節(jié)。而對于512B-per-page的NAND來說，可以而且只可以定義它的前16個字節(jié)。
uint32_t oobavail：oob中可用的字節(jié)數(shù)，這個值不用賦值，MTD會根據(jù)其它三個變量自動計算得到。
struct nand_oobfree oobfree[MTD_MAX_OOBFREE_ENTRIES]：顯示定義空閑的oob字節(jié)。
