原创 如何编写linux下nand flash驱动

【简介】如何编写linux下nand flash驱动

Version: V0.1

Time:10/06/2008

Author：green-waste@163.com

【编写驱动之前要了解的知识】

1.硬件方面：

【Flash的种类】

Flash主要分nand flash和nor flash

除了网上最流行的这个解释之外：

NAND和NOR的比较

我再多说几句，nor的成本相对高，比较适合应用于存储少量的代码。

Nand flash相对成本低，因此可以用来存储大量的数据，其在嵌入式系统中的作用，相当于PC上的硬盘，用于存储大量数据。

Nor flash，有类似于dram之类的地址总线，因此可以直接和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，只有IO接口，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。相比之下，nor flash就像是并行访问，nand flash就是串行访问，所以相对来说，前者的速度更快些。

但是由于物理制程/制造方面的原因，导致nor 和nand在一些具体操作方面的特性不同：

Nand 和 Nor Flash 的区别

【Nand Flash的种类】

具体再分，又可以分为

1)Bare NAND chips：裸片，单独的nand 芯片

2)SmartMediaCards： =裸片+一层薄塑料，常用于数码相机和MP3播放器中。之所以称smart，是由于其软件smart，而不是硬件本身有啥smart之处。^_^

3)DiskOnChip：裸片+glue logic，glue logic=硬件ECC产生器+用于静态的nand 芯片控制的寄存器+直接访问一小片地址窗口，那块地址中包含了引导代码的stub桩，其可以从nand flash中拷贝真正的引导代码。

【Nand flash的特点】

Nand flash的操作，和其他一些常见的设备，如硬盘等，不同，其有自己特殊的方式。

其特殊就在于：

1.Nand flash的最小单位是页page，而不是其他很多设备所说的位bit。

2.写入数据之前必须先进行擦除erase操作

3.写的时候，最小单位是页page，对也进行写操作，也称作“页编程”，page programming

4.擦除的最小单位是块block

5.由于物理特性，容易出错，所以无论是读还是写，都要采取检测和校验，即EDC。

6.nand flash出厂时候，就有一定坏的块block，成为换块，并且做了一定标记。

7.nand flash中有个额外的空间，叫做spare area/oob

【spare area/oob】

Nand由于最初硬件设计时候考虑到，额外的错误校验等需要空间，专门对应每个页，额外设计了叫做spare area空区域，在其他地方，比如jffs2文件系统中，也叫做oob（out of band）数据。

其具体用途，总结起来有：

1.       标记是否是坏快

2.       存储ECC数据

3.       存储一些和文件系统相关的数据，如jffs2就会用到这些空间存储一些特定信息

【常见Nand Flash的大小及参数】

常见的nand flash 的大小，由最开始的小于256M,到现在的常见的1G，2G，甚至更大。

以前的nand flash的

Pagesize页大小，多为512B+16B的oob，block大小为64*（512B+16B）=32KB+1KB

现在目前市场上见到的，绝大多数，都是新的nand falsh，其Pagesize页大小多为2KB+64B的oob，block大小多为64pages页=64*（2K+64B）=128KB+4KB，一个nand flash中的芯片，一般含有4096个块，比如samsung的K9F4G08U0M，所以这个nand flash大小就是

4096 Blocks = 4096 * 64 *（2K+64B）=512MB

即：

1 Page = (2K + 64)Bytes

1 Block = (2K + 64)B x 64 Pages

= (128K + 4K) Bytes

1 Device = (2K+64)B x 64Pages x 4,096 Blocks

= 4,224 Mbits =512MB

【Nand flash工作原理】

所谓工作原理，其实也就是对应对其如何操作的。

还是以上面提到的samsung的K9F4G08U0M的nand flash为例，简单描述如下：

1.nand flash定义了一些引脚，使得你可以发送命令过去，实现对nand flash的操控：

上面这些引脚，需要解释的主要是

CLE，使能，只有使能有效，你才能进行后续的操作。只能选中了这个nand芯片，才能进行后续的读写。

ALE，在发送地址时，要锁住地址总线，才可以操作。

RE，WE，在读写之前，要对应的引脚有效，才可以进行读写的。

其他见解释皆可。

所有如上的引脚，都是驱动中，通过发送命令，具体内部控制逻辑去实现的。

而驱动开发者要关心的，是何时去发送对应的命令。具体想要实现一操作，要何时发送什么命令才能实现，要继续看下面的datasheet中的解释：

如果想要对nand flash操作，就要根据datasheet中的规范进行，比如对页的写操作/写编程要根据这个顺序去操作：

其具体的细节，包含了哪些操作，可以看这个时序图：

从上图可以看出来，要先发80h的命令，再继续后面的操作。

这里的80h命令的含义，参考这个图表：

从这个图表，可以看到，80h就是page program的第一个命令。

而时序图中的先两个col列地址，后三个row行地址，是根据下面这个图得来的：

此时才能定位到你所要操作的页，才能进行写操作。

再多说几句，上图表示了，如果想要对这个nand flash操作，读或写，需要进行3次列地址和三次的行地址，才能定位到你所要操作的地方，才能读写。同时显示了，每次每个位，对应代表的地址位。

此处的2个列地址和3个行地址，是由硬件设计决定的。

老的nand flash由于每个页只有512B，所以，最后的操作，只需要1个列地址和3个行地址就可以定位了。感兴趣的可以去网上下载samsung一些老的nand flash，可以对比着看，更明白些。

而每个操作，比如上面的写操作，都是需要一定时间的，其具体硬件操作所需的时间，见这个图：

此处可以看到，写一个页，即页编程，一般需要200us，最大需要700us，所以驱动开发者在开发的时候，要知道这个细节，要等待对应的时间，再去判断，是否写操作顺利完成了，才能接下来继续后面其他的操作的。

上述的具体代码实现，可以去看

drivers\mtd\nand\nand_base.c中的nand_command_lp()函数中的代码：

/* Command latch cycle */

//对命令锁存，然后才能发送命令

       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;

//先发送2次col地址，构成整个列地址

              /* Serially input address */

              if (column != -1) {

                     /* Adjust columns for 16 bit buswidth */

                     if (chip->options & NAND_BUSWIDTH_16)

                            column >>= 1;

                     chip->cmd_ctrl(mtd, column, ctrl);

                     ctrl &= ~NAND_CTRL_CHANGE;

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

              }

//再发送3次row地址，构成整个行地址

              if (page_addr != -1) {

                     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);

              }

       }

这样就可以定位到我们要操作的位置，进行操作了。

2.软件方面：

Linux驱动原理

具体内部很多实现，已经包含在drivers\mtd\nand\nand_base.c中了

【nand flash驱动加载识别nand类型过程】

在驱动加载的时候，会去调用：

nand_get_flash_type（）

其中，就会对nand的类型和其他相关参数进行检查。

1）  选中对应设备，如果此时只有一个nand 芯片，则此步可以省略

       /* Select the device */

       chip->select_chip(mtd, 0);

x

2）  发读命令，去读取设备类型代码

       /* Send the command for reading device ID */

       chip->cmdfunc(mtd, NAND_CMD_READID, 0x00, -1);

3）  判断是哪个厂商的，哪个类型的flash

       /* Read manufacturer and device IDs */

       *maf_id = chip->read_byte(mtd);

       dev_id = chip->read_byte(mtd);

4）  在事先已经定义好的nand flash类型中查找属于何种厂商和型号

       /* Lookup the flash id */

       for (i = 0; nand_flash_ids.name != NULL; i++) {