NandFLASH和NorFLASH接口設(shè)計和驅(qū)動開發(fā)

時間：2009-08-23 01:02:56

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[導(dǎo)讀] NandFLASH和NorFLASH接口設(shè)計和驅(qū)動開發(fā)

0 引言
隨著嵌入式系統(tǒng)的迅速發(fā)展，其應(yīng)用環(huán)境的廣泛性，復(fù)雜性對構(gòu)建于系統(tǒng)上的Nor和Nand閃存設(shè)備提出更高要求，需要閃存設(shè)備傳輸速度更快，體積更小，容量更大，穩(wěn)定性更好。該文在基于Samsung公司的S3C2410處理器平臺上，針對FLASH閃存設(shè)備在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用，詳細(xì)分析FLASH閃存設(shè)備的接口設(shè)計方法，并針對FLASH接口特點，提出Linux環(huán)境下NorFLASH和 NandFLASH的驅(qū)動開發(fā)流程，給出詳細(xì)的代碼分析。

1 NandFLASH和NandFLASH對比
隨著存儲技術(shù)的高速發(fā)展，閃存設(shè)備因其在性能和成本方面的優(yōu)勢，如非易失性，可擦除性以及更低廉的價格正逐步取代傳統(tǒng)記憶體。目前常用閃存是Nor-FLASH和NandFLASH。它們的技術(shù)性能差異顯著，表1是它們的技術(shù)對比。

NorFLASH使用方便，易于連接，可以在芯片上直接運行代碼，穩(wěn)定性出色，傳輸速率高，在小容量時有很高的性價比，這使其很適合應(yīng)于嵌入式系統(tǒng)中作為 FLASH ROM。相對于NorFLASH，NandFLASH強(qiáng)調(diào)更高的性能，更低的成本，更小的體積，更長的使用壽命。這使NandFLASH很擅于存儲純資料或數(shù)據(jù)等，在嵌入式系統(tǒng)中用來支持文件系統(tǒng)，在該S3C2410平臺上用以支持bon文件系統(tǒng)。
然而FLASH閃存卻是保證數(shù)據(jù)正確性不太理想的設(shè)備，應(yīng)用中可能出現(xiàn)壞塊；這就給其在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用，如何更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲管理提出了更高要求。恰當(dāng)?shù)慕涌谠O(shè)計和驅(qū)動開發(fā)是解決問題的關(guān)鍵，本文基于S3C2410，詳細(xì)分析FLASH接口設(shè)計和驅(qū)動開發(fā)流程。

2 FLASH接口設(shè)計
2．1 處理器內(nèi)存分配情況
在分析FLASH的接口以及工作模式前，先分析處理器的內(nèi)存分配情況。內(nèi)核ARM920T是32位處理器，尋址空間4 GB，3 GB被處理器內(nèi)部的寄存器和一些其他設(shè)備占用，只有1 GB用于外部尋址；這1 GB的空間S3C2410分為8個部分以支持不同的設(shè)備，每個空間為128 Mb，被命名為BANK。S3C2410給每個BANK一個片選即nGCS0～nGCS7來方便對BANK的操作，將CPU上相應(yīng)的BANK連線接到外設(shè)芯片的片選引腳上就可以根據(jù)相應(yīng)的地址對存儲器進(jìn)行控制。
2．2 FLASH在系統(tǒng)中的架構(gòu)
FLASH模塊通過系統(tǒng)總線與處理器相連，如圖1所示。

為了擁有高速的數(shù)據(jù)交換通道，F(xiàn)LASH經(jīng)由控制器模塊通過AHB總線與處理器通信。NandFLASH控制器、NorFLASH控制器和DMA控制器都是高速總線AHB上的Master模塊，都包含符合AMBA標(biāo)準(zhǔn)的總線接口模塊與AHB交互工作。FLASH工作時，F(xiàn)LASH控制器模塊和DMA控制器模塊相互協(xié)作，完成各種操作。[!--empirenews.page--]
2．3 NorFLASH的接口設(shè)計
系統(tǒng)用的NorFLASH芯片是Atmel公司開發(fā)的AT49BV1614A，存儲空間為16 MB，在系統(tǒng)中常用于存放代碼，系統(tǒng)上電或復(fù)位后獲得指令開始執(zhí)行，因此，應(yīng)將其配置到Bank0，將AT49BV1614A的片選端nCE接至 S3C2410的nGCS0；AT49BVl614A的輸出使能端nOE接S3C2410的nOE；寫使能端nWE接S3C2410的nWBE0；將模式選擇nBYTE上拉，使AT49BV1614A工作在 16 位數(shù)據(jù)模式。AT49BV1614A地址總線A[19～0]和S3C2410的地址總線ADDR[20 ～1相連，16位數(shù)據(jù)總線DQ[15～0]和S3C2410的低16位數(shù)據(jù)總線DATA[15~0]相連。

2. 4 NorFLASH在系統(tǒng)中的具體操作

以AT49BV1614A芯片時序圖為例，具體說明NorFLASH的寫操作，如圖2所示。

CLE信號有效時系統(tǒng)通過I／O口向命令寄存器發(fā)送命令00H，此時WE為低電平，寫操作有效，NandFLASH處于寫狀態(tài)。發(fā)送命令后，接著發(fā)送要讀的地址，該操作將占用WE的1，2，3，4四個周期，發(fā)送地址信息時，CLE為低電平，ALE為高電平。地址信息發(fā)送完畢后，不能立刻讀取數(shù)據(jù)，因為此時芯片正處于BUSY(忙)狀態(tài)，需要等待2～20 ms，之后，才能開始數(shù)據(jù)讀取。此時WE為高電平，處于無效狀態(tài)，CE片選信號也始終為低以表明選中該芯片。[!--empirenews.page--]

3 FLASH驅(qū)動程序開發(fā)
3．1 Linux系統(tǒng)下的驅(qū)動程序
    Linux系統(tǒng)將所有的設(shè)備都看作具體的文件，通過文件系統(tǒng)對設(shè)備進(jìn)行管理。所以在Linux架構(gòu)中，和設(shè)備相關(guān)的處理分成兩層：文件系統(tǒng)層和設(shè)備驅(qū)動層。設(shè)備驅(qū)動層用來屏蔽具體設(shè)備的細(xì)節(jié)，文件系統(tǒng)層向用戶提供一組統(tǒng)一的接口。這種設(shè)備管理方法可以很好的實現(xiàn)設(shè)備無關(guān)性，使Linux系統(tǒng)可以隨著外部設(shè)備的發(fā)展進(jìn)行擴(kuò)展，比如要添加一個設(shè)備，只要根據(jù)該硬件設(shè)備特性向文件系統(tǒng)提供一組接口，應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用接口來訪問設(shè)備。
    Linux系統(tǒng)里將FLASH設(shè)備歸屬到MTD設(shè)備下管理，相對于常規(guī)塊設(shè)備驅(qū)動程序，MTD設(shè)備驅(qū)動程序能更好的支持和管理閃存。具體講，基于MTD的 FLAsH驅(qū)動程序，對上層可以很好的支持JFFS(針對NorFLASH)和YAFFS(針對NandFLASH)等文件系統(tǒng)，對下層FLASH的讀寫，擦除，壞塊處理都能進(jìn)行很好的管理，它在硬件設(shè)備和上層文件系統(tǒng)間提供一個抽象接口。
3．2 FLASH驅(qū)動程序開發(fā)流程
    FLASH驅(qū)動程序有兩種編程方式。一種是直接編程進(jìn)內(nèi)核(Kernel)，另一種是編程成模塊(Modules)，如果編程進(jìn)內(nèi)核，會增加內(nèi)核的大小，還要改動內(nèi)核源文件，不能動態(tài)卸載，不利于調(diào)試，所以FLASH驅(qū)動編程采用模塊化方式較好。
    FLASH驅(qū)動開發(fā)流程要經(jīng)過四步：模塊化設(shè)計，編譯，加載，調(diào)用驗證。如圖4所示。

3．2．1 驅(qū)動程序的模塊化設(shè)計
構(gòu)成FLASH驅(qū)動程序的所有子程序，要進(jìn)行模塊化設(shè)計，必須加入兩個函數(shù)：入口函數(shù)module init()和出口函數(shù)module_exit()。在執(zhí)行程序時module_init()會調(diào)用int_init cfi probe_init(void)，負(fù)責(zé)初始化MTD芯片，同時這個函數(shù)還調(diào)用register_mtd_chip_driver()，將cfi_chipdrv加入至 MTD驅(qū)動器列表chip_drvs_list中。初始化成功返回0，否則返回負(fù)值。實現(xiàn)代碼為：

另一個函數(shù)module_exit()執(zhí)行時，會調(diào)用staticvoid_exit cfi_probe_exit(void)，負(fù)責(zé)清除MTD芯片驅(qū)動工作。同時這個函數(shù)還調(diào)用unregister_mtd_chip_driver()，將cfi_chipdrv從MTD芯片驅(qū)動器列表chip_drvs_list中刪除。實現(xiàn)代碼為：

    其中：-O指定代碼優(yōu)化的級別；-D內(nèi)核模塊必須按照特殊定義的參數(shù)進(jìn)行編譯，這些參數(shù)跟在選項-D后；MODULE通知頭文件要給出適當(dāng)?shù)膬?nèi)核模塊定義；-KERNEL-通知頭文件形成的目標(biāo)代碼在內(nèi)核態(tài)運行。得到的文件*．O就是一個FLASH驅(qū)動程序的目標(biāo)文件，這樣FLAsH驅(qū)動程序編譯好。編譯好的模塊*．O放在／lib／roodules／2．4．18／misc下，然后用dep-mod-a使此模塊成為可加載模塊。
3．2．3 驅(qū)動程序的加載
    加載模塊要用到兩個命令：insmod(加載)，rmmod(卸載)。加載時，module_init()函數(shù)被調(diào)用，這個函數(shù)向系統(tǒng)設(shè)備表登記 FLAsH設(shè)備。卸載時，module_exit()函數(shù)被調(diào)用，它釋放FLASH設(shè)備在系統(tǒng)設(shè)備表中占有的表項。注冊成功后就可以用mknod命令將 FLASH設(shè)備映射為一個特別文件，其他程序使用FLASH設(shè)備時，只要對此文件進(jìn)行操作就行。Linux在／dev目錄中為每個設(shè)備建立了一個文件，用 ls-1命令列出函數(shù)返回值，若小于O，表示注冊失??；否則表示注冊成功。注冊以后，Linux將FLAsH設(shè)備名與主、次設(shè)備號聯(lián)系起來。當(dāng)對 FLASH訪問時，Linux通過請求訪問FLASH設(shè)備名得到主、次設(shè)備號；然后把此訪問發(fā)送到FLASH設(shè)備驅(qū)動，F(xiàn)LASH驅(qū)動再根據(jù)次設(shè)備號調(diào)用不同的函數(shù)。
3．2．4 驅(qū)動程序的調(diào)用驗證
    模塊加載到內(nèi)核后，然后就要調(diào)用驗證。在Linux根目錄下有dev子目錄，這里面是節(jié)點名，這些結(jié)點是通過mknod建立的，里面有MTD字符設(shè)備節(jié)點和MTD塊設(shè)備節(jié)點，通過訪問這些節(jié)點來訪問設(shè)備驅(qū)動程序。Open一般是設(shè)備節(jié)點上的第一個操作，訪問設(shè)備時其實就是系統(tǒng)調(diào)用open()函數(shù)，然后 open()函數(shù)打開設(shè)備準(zhǔn)備進(jìn)行I／O操作，該函數(shù)注冊進(jìn)mtd_fops結(jié)構(gòu)中。
    上面就是NorFLASH和NandFLASH驅(qū)動程序架構(gòu)，具體開發(fā)驅(qū)動程序時，就要填充架構(gòu)里的程序代碼，來完成驅(qū)動程序。這個框架中有一個函數(shù)表，具體到Linux系統(tǒng)里，需要提供一個結(jié)構(gòu)來向系統(tǒng)說明FLASH驅(qū)動程序所提供的一組入口點，這個結(jié)構(gòu)就是fop函數(shù)表。
    FLASH驅(qū)動程序運行時，向內(nèi)核注冊，告訴系統(tǒng)fop函數(shù)表是跟FLASH驅(qū)動程序相關(guān)聯(lián)的。當(dāng)用戶去訪問驅(qū)動程序時，系統(tǒng)就告訴文件系統(tǒng)的管理程序，調(diào)用fop函數(shù)表就可以，然后調(diào)用函數(shù)表里的函數(shù)，完成用戶要求。當(dāng)從設(shè)備來收發(fā)數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)不是調(diào)用read()，write()這兩個函數(shù)，fop結(jié)構(gòu)里沒這兩個函數(shù)，而是要用到一個函數(shù)blk_init_queue()，這個函數(shù)向上注冊了一個請求處理函數(shù)request，對FLASH設(shè)備的讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)，都是從請求隊列發(fā)出一個請求，請求調(diào)用請求處理函數(shù)，由請求處理函數(shù)執(zhí)行具體的讀寫操作。設(shè)計驅(qū)動程序90％工作來完成fop函數(shù)表及re- quest函數(shù)，10％完成驅(qū)動程序中的一些函數(shù)接口。完成了這些函數(shù)加上上面的FLASH驅(qū)動程序架構(gòu)就構(gòu)成了完整的FLASH驅(qū)動程序。

4 結(jié) 語
基于Samsung公司的s3c2410處理器平臺，分析和設(shè)計NorFLASH和NandFLASH的接口和驅(qū)動，詳細(xì)介紹兩種FLASH的硬件結(jié)構(gòu)、性能差異、讀寫時序、以及驅(qū)動開發(fā)。NorFLASH和NandFLASH因其在存儲數(shù)據(jù)和程序以及性價比方面的優(yōu)勢，占據(jù)的存儲器市場份額越來越多，并在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。