基于VxWorks的NAND FLASH驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

0 引 言

目前，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)也得到飛速的發(fā)展，產(chǎn)生了很多新技術(shù)。但就計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)來說，還是基本采用了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。然而馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的一個(gè)中心點(diǎn)就是存儲(chǔ)一控制，所以存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用是非常重要的。嵌入式計(jì)算機(jī)作為計(jì)算機(jī)中的一個(gè)類別，對(duì)執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性都有較強(qiáng)的要求，這也決定了嵌入式系統(tǒng)不僅要有實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的操作系統(tǒng)，同時(shí)也需要一種安全、快速的存儲(chǔ)設(shè)備。同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)涉及到海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，這就要求存儲(chǔ)設(shè)備必須具有可靠性高，功耗低，容量大，掉電數(shù)據(jù)不丟失等特點(diǎn)，而NAND FLASH芯片正好具有這些優(yōu)點(diǎn)。

VxWorks是嵌入式領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的最有特色的高性能實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之一。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性，被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通信、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。

目前，在VxWorks實(shí)現(xiàn)上，涉及文件系統(tǒng)的文章不少，但一般都是針對(duì)容量較小，操作相對(duì)簡(jiǎn)單的NORFLASH實(shí)現(xiàn)的。本文討論了如何在以AMCC公司的Power PC芯片PPC440epx為核心的嵌入式平臺(tái)上，利用三星公司的大容量NAND FLASH實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)的具體辦法。

1 三星NAND FLASH芯片K9F2G08QOM

K9F2G08QOM芯片的容量為256 M×8 b="2" Gb的數(shù)據(jù)區(qū)，再加上64 Mb的備用區(qū)。一塊這種芯片被分為2 048個(gè)塊，每個(gè)塊又分為64頁(yè)，每頁(yè)由2 KB的數(shù)據(jù)區(qū)加上64 B的備用區(qū)組成。如圖1所示，列地址為12 b(A11～A0)。當(dāng)A12為0時(shí)，A10～A0確定對(duì)每頁(yè)中2 KP;數(shù)據(jù)的訪問;當(dāng)A12為1時(shí)，訪問的是64 B的備用區(qū)。由于NANDFLASH芯片在出廠時(shí)就可能出現(xiàn)壞塊(塊中的某個(gè)或多個(gè)bit不能有效的進(jìn)行讀寫)，為了將其標(biāo)注出來，三星公司保證每個(gè)壞塊的第一頁(yè)和第二頁(yè)備用區(qū)第一個(gè)byte的數(shù)據(jù)沒有被初始化為0xFF。設(shè)計(jì)人員要確保在對(duì)該芯片進(jìn)行擦除之前，先將這個(gè)信息保留起來(建一個(gè)壞塊表)。行地址為17 b(A28～A12)。它確定了對(duì)2 048塊×64頁(yè)=128 K個(gè)頁(yè)中的某一頁(yè)進(jìn)行訪問。為了簡(jiǎn)化NAND FLASH芯片的管腳，其地址和數(shù)據(jù)信息共享8個(gè)I/O管腳，因此，其29 B的地址信息被設(shè)計(jì)為5個(gè)周期進(jìn)行傳輸。具體操作如表1所示。

注：起始地址是列地址;L表示必須置為低電平

對(duì)NAND FLASH的操作流程比較簡(jiǎn)單，即在第一個(gè)周期里送操作相關(guān)的命令字，然后送地址，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)，最后送確認(rèn)字。需要說明的是，由于地址、命令和數(shù)據(jù)都共用8個(gè)I/O管腳來進(jìn)行傳輸，因此在硬件上必須要有專用的管腳來區(qū)分傳輸類型(在傳輸命令的時(shí)候，命令鎖存使能信號(hào)CLE有效;在傳輸?shù)刂返臅r(shí)候，地址鎖存使能信號(hào)ALE有效)。具體的命令字、時(shí)序和操作流程在K9F2G08Q0M的數(shù)據(jù)手冊(cè)上有較詳細(xì)的描述，在此不一一詳述。

2 PPC440epx的NAND FLASH接口

AMCC公司的PPC440epx芯片是一款性能指標(biāo)較高的嵌入式CPU芯片，其主頻可以達(dá)到667 MHz，擁有DDR2接口，可支持千兆以太網(wǎng)，USB 2.0接口，支持浮點(diǎn)運(yùn)算，同時(shí)還支持NAND FLASH芯片。

PPC440epx使用一個(gè)NAND FLASH Controller作為外部NAND FLASH與其外部總線通信的接口電路，該控制器最多可以支持4個(gè)NAND FLASH芯片，每個(gè)芯片的容量可以為4～256 MB，每頁(yè)的大小可以為512 B+16 B或者2 KB+64 B。NDFC(NANDFLASH Controller)的存在使得對(duì)NAND FLASH的操作變的非常簡(jiǎn)單。根據(jù)前面對(duì)K9F2G08Q0M的介紹可知，對(duì)NAND FLASH的操作需要在硬件上產(chǎn)生ALE，CLE信號(hào)來區(qū)分傳輸類型。NDFC給程序設(shè)計(jì)人員提供兩種實(shí)現(xiàn)時(shí)序的方法：硬件實(shí)現(xiàn)，軟件實(shí)現(xiàn)。如果是前者， NDFC提供了幾個(gè)寄存器：命令寄存器、地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、配置寄存器和狀態(tài)寄存器。通過對(duì)這幾個(gè)寄存器執(zhí)行相應(yīng)的讀/寫操作就可以產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序。例如，如果需要對(duì)NAND FLASH寫命令字80H，則只需將80H寫人命令寄存器即可。NDFC自動(dòng)將80H送到I/O7～I(xiàn)/O0上，同時(shí)置CLE為有效狀態(tài)。而軟件實(shí)現(xiàn)方法是根據(jù)K9F2G08Q0M的時(shí)序要求，通過對(duì)硬件控制寄存器中相應(yīng)的bit寫1或者0，使得對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)為高電平或者低電平。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)自己的情況，選擇實(shí)現(xiàn)方法。這里推薦采用硬件實(shí)現(xiàn)的方法。不過，在有問題時(shí)，可采用軟件實(shí)現(xiàn)的方法來進(jìn)行調(diào)試。

3 TrueFFS簡(jiǎn)介

TureFFS(Ture Flash File System)是M-Systems公司為VxWorks操作系統(tǒng)定制的實(shí)現(xiàn)FLASH塊設(shè)備的接口。通過使用TFFS，應(yīng)用程序?qū)LASH的讀寫就像對(duì)擁有MS-DOS文件系統(tǒng)的磁盤設(shè)備操作一樣。對(duì)于上層設(shè)計(jì)人員，TFFS屏蔽了底層多種多樣FLASH設(shè)備的具體細(xì)節(jié)。同時(shí)，由于FLASH存儲(chǔ)芯片自身的一些特性(如擦除、編程次數(shù)有限并且操作時(shí)間較長(zhǎng);容易進(jìn)入過度編程狀態(tài)等)，TFFS采用虛擬塊、損耗均衡、碎片回收、錯(cuò)誤恢復(fù)等機(jī)制來提高 FLASH的使用壽命，確保數(shù)據(jù)完整，優(yōu)化性能。

4 TrueFFS的實(shí)現(xiàn)

4.1 TrueFFS的基本結(jié)構(gòu)

TrueFFS由1個(gè)核心層和3個(gè)功能層組成，它們是翻譯層(Translation Layer)、MTD(Memory Tech-nology Drivers Layer)層和Socket層，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

(1)交互功能。它包含了控制FLASH映射到塊、wear-lev-eling、碎片回收和數(shù)據(jù)完整性所需的智能化處理功能。目前，有三種不同的翻譯層模塊可供選擇。選擇哪一種層需要看所用的FLASH介質(zhì)是采用NOR-based，還是NAND-based，或者SSFDC-based技術(shù)而定。

(2)MTD(Memory Technology Driver)層實(shí)現(xiàn)具體的FLASH芯片底層程序設(shè)計(jì)，包括讀、寫、擦、ID識(shí)別、映射等功能，以及一些與FLASH芯片相關(guān)的參數(shù)設(shè)置。[!--empirenews.page--]

(3)Socket層提供了TrueFFS和硬件之間的接口服務(wù)，負(fù)責(zé)電源管理、檢測(cè)設(shè)備插拔、硬件寫保護(hù)、窗口管理和向系統(tǒng)注冊(cè)Socket等;

(4)核心層將其他3層有機(jī)結(jié)合起來，另外還處理全局問題，如信號(hào)量、碎片回收、計(jì)時(shí)器和其他系統(tǒng)資源等。

在VxWorks中，由于翻譯層和核心層以二進(jìn)制形式提供給設(shè)計(jì)人員的，因此實(shí)現(xiàn)TFFS的主要工作集中在對(duì)MTD層和Socket層的設(shè)計(jì)上。

4.2 Socket層的實(shí)現(xiàn)

如果VxWorks中包含TFFS，在系統(tǒng)啟動(dòng)后，先完成內(nèi)核的初始化，之后開始進(jìn)行I/O的初始化操作。系統(tǒng)調(diào)用UsrRoot()函數(shù)，該函數(shù)再調(diào)用 tffsDrv()函數(shù)，這樣就產(chǎn)生如圖3所示的調(diào)用流程。調(diào)用這些函數(shù)的目的之一就是注冊(cè)socket驅(qū)動(dòng)函數(shù)。最后的注冊(cè)操作都是由 xxxRegister()函數(shù)完成(這個(gè)函數(shù)和sysTff-sInit()函數(shù)的定義都在sysTffs.c中)的。該函數(shù)是通過更新 FLSocket結(jié)構(gòu)體來完成注冊(cè)操作的。該結(jié)構(gòu)體的定義以及相關(guān)細(xì)節(jié)可以通過閱讀VxWorks的幫助文件獲得，在此不詳述。

sysTffs.C文件的編寫，可以參考其他的BSP來完成。config目錄下的任何一個(gè)BSP都有該文件，設(shè)計(jì)人員可以復(fù)制其中一個(gè)到自己的BSP目錄下。例如：復(fù)制wrPpmc440gp目錄下的sysTffs.c文件，再根據(jù)自己的硬件電路修改FLASH BASE ADRS以及FLASHSIZE的宏定義，同時(shí)添加宏定義：#define INCLUDE_MTD_NAND。其他地方一般不需要改動(dòng)。

4.3 MTD層驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)

要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)TFFS塊設(shè)備，首先應(yīng)該調(diào)用函數(shù)tffsDevCreate()，這樣就產(chǎn)生了如圖4所示的一系列的調(diào)用函數(shù)。系統(tǒng)通過這一系列的調(diào)用函數(shù)來確認(rèn)具體的MTD層程序。確認(rèn)過程在flIdentifyFlash()函數(shù)中完成。flIdentifyFlash()通過逐個(gè)執(zhí)行 xxxIdentify()表中的程序來確定合適的MTD。如果系統(tǒng)只有一種FLASH，則只需寫一個(gè)Identify()函數(shù)可。與Socket層類似，MTD層的核心工作也是針對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(FLFLASH)而進(jìn)行的初始化操作。通過初始化操作來注冊(cè)FLASH芯片的處理函數(shù)，具體的實(shí)現(xiàn)是在函數(shù) xxxldentify()中完成的。

根據(jù)前面的介紹知道，MTD層的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)FLASH芯片的讀、寫、擦、ID識(shí)別、映射等操作。而對(duì)不同F(xiàn)LASH芯片的相應(yīng)操作是有一定差別的，所以使用不同的FLASH芯片時(shí)，MTD層的程序設(shè)計(jì)也是不一樣的。開發(fā)人員的工作是根據(jù)系統(tǒng)使用的具體FLASH芯片來完成相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)。

Tornado提供了幾種FLASH的TrueFFS MTD層驅(qū)動(dòng)的參考設(shè)計(jì)。在installDirtargetsrcdrvtffs中，主要包括Intel，AMD等公司的幾種FLASH的 TrueFFS MTD層驅(qū)動(dòng)。雖然沒有需要的K9F2G08驅(qū)動(dòng)程序，但可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)自己的MTD程序。具體做法是在BSP目錄下建立一個(gè)MTD層驅(qū)動(dòng)文件，將其取名為K9F2G08Mtd.C。在該文件中首先編寫函數(shù)nandMTDIdentify()，如下所示為程序片段：

完成上述代碼后，剩下的工作就是完成在函數(shù)nandMTDIdentify()中引用的readFlashID()，nand- MTDRead()。 nandMTDWrite()，nandMTDErase()，nandMTDMap()這幾個(gè)函數(shù)的代碼編寫。由于不同的FLASH芯片，時(shí)序不同，因此這幾個(gè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)也不同。必須根據(jù)芯片K9F2G08的數(shù)據(jù)手冊(cè)上時(shí)序的要求，對(duì)PPC440epx的相應(yīng)寄存器進(jìn)行讀/寫操作，以完成這些功能。由于篇幅原因，這幾個(gè)函數(shù)的具體代碼就不再贅述。建議在Boot Loader工作正常后，先在應(yīng)用程序中對(duì)這些函數(shù)進(jìn)行調(diào)試。這樣就可以利用單步和斷點(diǎn)等工具進(jìn)行調(diào)試，并且在修改后可立即通過網(wǎng)絡(luò)下載程序。

4.4 TrueFFS的配置

在完成上述代碼的編寫后，還要做如下工作：在配置文件config.h中增加定義INCLUDE_TFFS和IN-CLUDE_DOSFS，使得 TrueFFS組件和DOS文件系統(tǒng)被包含進(jìn)來。并且要在MakeFile文件MACH_EXTRA一項(xiàng)中添加K9F2G08Mtd.o，這樣可將 TureFFS文件驅(qū)動(dòng)程序加入系統(tǒng)。另外，還要在tffsConfig.c文件中的mtdTable[]表中添加上述的函數(shù)nandMTDI- dentify。

5 結(jié) 語(yǔ)

在此介紹如何在由AMCC公司的CPU芯片PPC440epx、三星公司的NAND FLASH構(gòu)成的硬件平臺(tái)上和VxWorks軟件平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)TrueFFS。按照上述設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)了NAND FLASH的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。能夠?qū)9F2G08進(jìn)行正常的讀、寫、擦、ID識(shí)別、映射等操作。同時(shí)，在VxWorks操作系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)了 TrueFFS。這樣就提高FLASH使用壽命，確保數(shù)據(jù)完整，優(yōu)化了FLAsH的性能。以此為基礎(chǔ)的系統(tǒng)在某機(jī)載設(shè)備上得到成功運(yùn)用。