基于SEP4O20的Linux NandFlash驅(qū)動設(shè)計

摘要：本文首先給出了NandFlash的硬件特點(diǎn)，分析了Linux MTD層(Memow Technology Device)的特性，基于東南大學(xué)國家ASIC中心自主設(shè)計的嵌入式微處理器芯片SEP4020，給出了Linux下NandFlash驅(qū)動的詳細(xì)設(shè)計方案。實(shí)驗結(jié)果表明，基于這種驅(qū)動方案的NandFlash能進(jìn)行有效的文件管理和穩(wěn)定、快速的讀寫功能，非常適合于嵌入式產(chǎn)品的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：NandFlash；Linux；SEP4020微處理器

0 引言
    NandFlash是一種非易失性的存儲介質(zhì)，它以極高的存儲密度，快速的讀寫速度以及低廉的價格，成為在嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛的存儲介質(zhì)。但同時NandFlash更大的存儲容量以及更復(fù)雜的硬件接口也為軟件的設(shè)計提出了更高的要求。為了有效地管理復(fù)雜的存儲硬件以及提供更可靠高效的存儲環(huán)境，文章給出了在嵌入式Linux下的NandFlash的驅(qū)動設(shè)計，利用嵌入式Linux系統(tǒng)的高效完善以及Linux MTD子系統(tǒng)的對存儲介質(zhì)的高度兼容，大大提高了NandFlash的使用效率，并降低了驅(qū)動開發(fā)的難度。
    本文以東南大學(xué)自主設(shè)計的東芯SEP4020微處理器的為基礎(chǔ)，分析NandFlash的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和Linux MTD層的框架，并基于這些研究提出了NandFlash驅(qū)動的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。

1 NandFlash的硬件特點(diǎn)
    NAND器件是基于I／O接口的，這點(diǎn)不同于NOR閃存，基于Bus的RAM接口。NAND芯片以頁為單位讀寫，以塊為單位擦除，通過多個引腳傳送命令地址數(shù)據(jù)，使用較復(fù)雜的I／O接口來控制。以本文使用的東芝TC58512FT(64MNand)為例，分為4096塊，每塊有32頁，每頁有512B的數(shù)據(jù)區(qū)+16B的OOB(out of band)區(qū)。(4096×32×512B=64MB)，均通過8跟IOM線串行控制，如圖l所示。

    同時由于工藝限制，NAND閃存中允許存在壞塊。NAND閃存的每一頁有16B(頁長度512B)的OOB區(qū)用來存放ECC校驗數(shù)據(jù)，ECC有效標(biāo)志，壞塊標(biāo)志等。所有這些決定了于NAND的存儲系統(tǒng)設(shè)計需要處理不同于其它類型閃存特有問題。[!--empirenews.page--]

2 MTD的NAND結(jié)構(gòu)
    Linux MTD層是Linux操作系統(tǒng)和存儲介質(zhì)之間的一個適配層。MTD是Linux的一個子集，用來作為具體的硬件設(shè)備驅(qū)動和上層文件系統(tǒng)的橋梁。MTD層有兩個非常顯著的優(yōu)異點(diǎn)：

    (1)簡化驅(qū)動的開發(fā)。設(shè)計基于MTD的驅(qū)動，所需要做的事情就是按照標(biāo)準(zhǔn)的公共接口函數(shù)的接口，根據(jù)微處理器NandFlash控制器的不同做適當(dāng)?shù)男薷模鵁o需去理會字符(塊)設(shè)備驅(qū)動設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，因為所有這些復(fù)雜的與內(nèi)核的交互接口機(jī)制mtd已經(jīng)做好了，開發(fā)行的精力只需要集中在實(shí)現(xiàn)對物理設(shè)備的范圍控制。
    (2)NandFlash使用環(huán)境的獨(dú)立性。上層應(yīng)用只需要訪問mtd抽象層提供的字符設(shè)備方式或者塊設(shè)備方式來訪問mtd設(shè)備，因此具體驅(qū)動對于上層應(yīng)用來說是具有獨(dú)立性的，即使底層驅(qū)動修改了，上層擁有也不需要改動。并且由于mtd抽象層，上層應(yīng)用就可以避免直接對具體硬件操作，而是對mtd操作，這樣，這些應(yīng)用就不是建立在某個具體的設(shè)備上，更好地實(shí)現(xiàn)了通用性和兼容性。
    mtd抽象層用一個數(shù)組struct mtd_info*mtd_table[MAX_MTD_DEVICES]保存系統(tǒng)中所有的設(shè)備，mtd設(shè)備利用struct mtd_info這個結(jié)構(gòu)來描述，該結(jié)構(gòu)中描述了存儲設(shè)備的基本信息和具體操作所需要的內(nèi)核函數(shù)，mtd系統(tǒng)的那個機(jī)制主要就是圍繞這個結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。
    下面簡單介紹下這個結(jié)構(gòu)：

3 基于SEP4020的NandFlash驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)
    SEP4020由東南大學(xué)國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心設(shè)計，使用0．18μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS的工藝設(shè)計，內(nèi)嵌ARM720T內(nèi)核，帶8kB指令數(shù)據(jù)Cache和全功能MMU，采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)的微處理。支持NandFlash的硬件ecc和軟件ecc，支持3級到5級地址，并提供512byte和2k bytes的頁支持(本文以3級地址，一頁為512byte為實(shí)現(xiàn)目標(biāo))。根據(jù)。NandFlash實(shí)際使用中大量操作均為對整頁的處理，本文利用片內(nèi)dma搬運(yùn)技術(shù)，提高對NandFlash的讀寫速度。[!--empirenews.page--]
3．1 NandFlash讀函數(shù)的核心代碼
    ／／讀取數(shù)據(jù)，長度可能為528，512，16；但由于NandFlash的控制器只支持整頁的讀寫和／／oob區(qū)的讀，而這里發(fā)送的命令是讀取數(shù)據(jù)，所以要整頁讀，數(shù)據(jù)長度為528。

3．2 NandFlash寫函數(shù)的核心代碼
    由于NandFlash本身只支持整頁的寫，而不支持直接對oob區(qū)的寫操作，而MTD上層需要對oob區(qū)進(jìn)行一系列的操作，因此在對oob進(jìn)行操作時需要先讀取該頁數(shù)據(jù)區(qū)，并將上層傳送的oob區(qū)數(shù)據(jù)一起組成一整頁，然后才能寫入NandFlash。

4 結(jié)束語
    本文以NandFlash芯片的特點(diǎn)入手，分析了LinuxMTD層架構(gòu)及優(yōu)點(diǎn)，給出了基于SEP4020微處理器的NandFlash驅(qū)動設(shè)計，并利用SEP4020內(nèi)置的dma技術(shù)，提高了對NandFlash的讀寫速度。根據(jù)實(shí)驗表明，本文實(shí)現(xiàn)的NandFlash驅(qū)動提供的平均讀寫速度穩(wěn)定在250kB／s，這樣的速度在一般的嵌入式應(yīng)用中已經(jīng)足夠。