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嵌入式Linux之我行——S3C2440上Flash驱动实例开发讲解(一)

2019-07-12 16:01发布

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嵌入式Linux之我行，主要讲述和总结了本人在学习嵌入式linux中的每个步骤。一为总结经验，二希望能给想入门嵌入式Linux的朋友提供方便。如有错误之处，谢请指正。
  1. 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：

  2. 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。
二、Linux中Flash软件知识
  1. 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。

  2. 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： externstruct mtd_info *mtd_table[MAX_MTD_DEVICES];//最多有MAX_MTD_DEVICES(默认定义为32)个设备

  3. 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,unsignedlong len,unsignedlong offset,unsignedlong 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, unsignedlong 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;                    
    };

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