總結(jié)關(guān)于NAND Flash調(diào)試

很久沒(méi)接觸過(guò) nandflash 驅(qū)動(dòng)了，最近工作又摸了一下，那就順便整理點(diǎn)筆記總結(jié)一下吧。nandflash 在我看來(lái)算是比較落后的存儲(chǔ)設(shè)備了，所以文章里沒(méi)有太多細(xì)節(jié)的東西，更多的是一些開(kāi)發(fā)思路和經(jīng)驗(yàn)，希望能幫助到有需要的人。

一、了解 nandflash 當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r

什么是 nandflash？

nandflash 由許多保存位（ bit ）的單元（ cell ）組成，這些位通過(guò)電荷開(kāi)啟或關(guān)閉。這些開(kāi)/關(guān)單元的組織方式表示存儲(chǔ)在nandflash 上的數(shù)據(jù)。這些單元中的位數(shù)也決定了 nandflash 的命名，例如 Single Level Cell （ SLC ） nandflash 在每個(gè)單元中都包含一個(gè)位。MLC nandflash將每個(gè)單元的位數(shù)增加了一倍，而 TLC nandflash 則增加了三倍，這為更高容量的 nandflash 開(kāi)辟了道路。

SLC 的優(yōu)點(diǎn)是速度最快，最耐用，但缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，并且無(wú)法提供更高的存儲(chǔ)容量。SLC 是企業(yè)使用的首選。與 SLC 相比，MLC 和 TLC 閃存的生產(chǎn)成本更低，存儲(chǔ)容量更高，但要權(quán)衡相對(duì)較短的使用壽命和較慢的讀/寫(xiě)速度。MLC 和 TLC 是日常消費(fèi)計(jì)算機(jī)等個(gè)人用品的首選。

為什么在嵌入式設(shè)備上 emmc 取代了 nandflash？

由于NAND Flash芯片的不同廠牌包括三星、KingMax、東芝（Toshiba）或海力士（Hynix）、美光（Micron）等，都需要根據(jù)每家公司的產(chǎn)品和技術(shù)特性來(lái)重新設(shè)計(jì)，過(guò)去并沒(méi)有哪個(gè)技術(shù)能夠通用所有廠牌的NAND Flash芯片。

而每次NAND Flash制程技術(shù)改朝換代，包括70納米演進(jìn)至50納米，再演進(jìn)至40納米或30納米制程技術(shù)。

手機(jī)客戶也都要重新設(shè)計(jì)（重新設(shè)計(jì)什么？因?yàn)槟阋ㄓ?，就需要通訊的電壓，時(shí)序，甚至接口命令，這些都隨著不同廠商，不同制程技術(shù)而不同，你作為手機(jī)制造商或者soc廠商，想要把每種新的 nandflash 集成到你的產(chǎn)品中，就要根據(jù)這些新的特性來(lái)花時(shí)間設(shè)計(jì)。soc這邊會(huì)有一個(gè)nandflash controller，你要根據(jù)采用的nandflash特性來(lái)配置nand flash controller，以達(dá)到成功通訊的目的）。

但半導(dǎo)體產(chǎn)品每1年制程技術(shù)都會(huì)推陳出新，存儲(chǔ)器問(wèn)題也拖累手機(jī)新機(jī)種推出的速度，因此像eMMC這種把所有存儲(chǔ)器和管理nandflash的控制芯片都包在1顆MCP上的概念，逐漸風(fēng)行起來(lái)。即：

NAND Flash 是一種存儲(chǔ)介質(zhì)，要在上面讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，外部要加主控和電路設(shè)計(jì)；

eMMC是NAND Flash+主控IC ，對(duì)外的接口協(xié)議與SD、TF卡類(lèi)似；

emmc 內(nèi)部根本的存儲(chǔ)介質(zhì)還是 nandflash，而不是一種全新的 storage。但是他定義并規(guī)范了統(tǒng)一接口比如：emmc 4.3， 4.4， 4.5（類(lèi)似于usb 2.0， 3.0 這樣的）， 把和 nand flash 的通訊封裝在emmc內(nèi)部，而提供給外部的接口就是 emmc 接口。

同理， 外部，比如soc就需要有個(gè) sdmmc controller， 并且宣布支持 emmc 4.3/4.4.。。，那么，你需要做的就是，根據(jù)選用的emmc的版本號(hào)，來(lái)給 sdmmc controller 來(lái)選擇一個(gè)通訊的接口版本號(hào)4.4。

二、如何驅(qū)動(dòng)一款NAND Flash？

參考：

《韋東山嵌入式Linux視頻第一期-nandflash》

（一） 基礎(chǔ)硬件知識(shí)

nandflash 是一個(gè)存儲(chǔ)芯片，那么它應(yīng)該能提供“讀地址A的數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)B寫(xiě)到地址A“的功能。

以Mini2440為例簡(jiǎn)單說(shuō)明一下：

問(wèn)1：原理圖上 NAND FLASH 和 S3C2440 之間只有數(shù)據(jù)線，如何傳輸?shù)刂纺兀?/p>

答1．在DATA0～DATA7上既傳輸數(shù)據(jù)，又傳輸?shù)刂?，?dāng)ALE為高電平時(shí)傳輸?shù)氖堑刂贰?/p>

問(wèn)2：從NAND FLASH芯片手冊(cè)可知，要讀寫(xiě)NAND FLASH需要先發(fā)出命令，如何傳入命令？

在DATA0～DATA7上既傳輸數(shù)據(jù)，又傳輸?shù)刂罚矀鬏斆睿?/p>

當(dāng)ALE為高電平時(shí)傳輸?shù)氖堑刂罚?/p>

當(dāng)CLE為高電平時(shí)傳輸?shù)氖敲睿?/p>

當(dāng)ALE和CLE都為低電平時(shí)傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)；

問(wèn)3：數(shù)據(jù)線LDATAn既接到NAND FLASH，也接到NOR FLASH，還接到SDRAM、DM9000等等，cpu如何準(zhǔn)確的將某個(gè)地址發(fā)到正確的芯片上而不干擾其他芯片呢？

這些芯片，要訪問(wèn)之必須”選中“（即片選信號(hào)為低），沒(méi)有選中的芯片不會(huì)工作，相當(dāng)于沒(méi)接一樣。

問(wèn)4：假設(shè)燒寫(xiě)NAND FLASH，把命令、地址、數(shù)據(jù)發(fā)給它之后，NAND FLASH肯定不可能瞬間完成燒寫(xiě)的，怎么判斷燒寫(xiě)完成？

通過(guò)狀態(tài)引腳RnB來(lái)判斷：它為高電平表示就緒，它為低電平表示正忙。

問(wèn)5：怎么操作NAND FLASH呢？

答5. 根據(jù)NAND FLASH的芯片手冊(cè)，一般的過(guò)程是：

（1） 發(fā)出命令

（2） 發(fā)出地址

（3） 寫(xiě)數(shù)據(jù)/讀數(shù)據(jù)

（4） 等待

（二） CPU nandflash 控制器章節(jié)導(dǎo)讀

SLC nandflash一般是1bit ecc，對(duì)應(yīng)的編解碼的過(guò)程需閱讀上述內(nèi)容。

MLC nandflash 一般是8/12/16 bit ecc，對(duì)應(yīng)的編解碼的過(guò)程需閱讀上述內(nèi)容。

（三） nandflash 芯片手冊(cè)導(dǎo)讀

特性列表，一般位于芯片手冊(cè)首頁(yè)，可以幫助我們快速了解芯片特性，基本可以認(rèn)為是最重要的信息。

不同芯片廠商的nandflash芯片引腳定義基本是一致的，但是可能會(huì)有1~2引腳是有差異，需要核對(duì)。

上圖可用于確定nandflash的存儲(chǔ)布局；

上圖可用于核對(duì)芯片的型號(hào)和詳細(xì)的硬件特性；

（四） nandflash 調(diào)試思路：

1. 通讀 CPU 芯片手冊(cè) nandflash 控制器章節(jié)：

- 了解該 CPU nandflash 控制器支持哪些特性，一般包括nandflash的bit數(shù)，以確定是否支持當(dāng)前選用的nandflash芯片；- 明確該芯片的 nandflash 控制器 ecc 校驗(yàn)功能的工作流程；

2. 通讀 nandflash 芯片手冊(cè)：

- 了解 nandflash 芯片的基本信息，例如ID、容量、類(lèi)型（SLC/MLC）- 結(jié)合板子的原理圖一起查看，以確定 CPU 和 nandflash 芯片的引腳連接是否正確。不同廠商（例如三星、鎂光）生產(chǎn)的nandflash引腳不一定完全兼容，可能會(huì)有一兩根引腳有差異；

3. 在 U-boot 或者 Linux 下實(shí)現(xiàn)讀取 nandflash 芯片的ID值的功能：nand_read_id（）

- U-boot 和 Linux哪個(gè)順手用哪個(gè)，U-boot的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)快，做測(cè)試方便點(diǎn)，而 Linux的優(yōu)點(diǎn)是支持網(wǎng)絡(luò)/文件系統(tǒng)，功能強(qiáng)大；- 能讀到 ID 只能說(shuō)明 CPU 和 nandflash 芯片硬件連接上有了些許保障 （例如發(fā)命令、讀數(shù)據(jù)），但是某些隱蔽的錯(cuò)誤硬件連接仍然會(huì)導(dǎo)致寫(xiě)數(shù)據(jù)異常；

4. 在 U-boot 或者 Linux 下實(shí)現(xiàn)讀取擦除 一塊數(shù)據(jù)的功能：nand_erase_block（）

- 相比起讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，擦除 nandflash 數(shù)據(jù)塊較為容易。而且只有成功擦除了，才能進(jìn)一步驗(yàn)證讀寫(xiě)nandflash的功能。nandflash 數(shù)據(jù)塊被擦除后所有數(shù)據(jù)均為 0xFF，利用這個(gè)特性可以驗(yàn)證稍后需要實(shí)現(xiàn)的讀一頁(yè)的操作是否正常；

5. 在 U-boot 或者 Linux 下實(shí)現(xiàn)裸讀一頁(yè)數(shù)據(jù)（ 不考慮ecc校驗(yàn) ）的功能：nand_read_page_raw（）

- nandflash 的1頁(yè)包括 main 區(qū)域和oob區(qū)域， main 區(qū)域用于保存用戶數(shù)據(jù)，spare 區(qū)域用于保存 ecc校驗(yàn)碼；- 一般說(shuō)寫(xiě)一頁(yè)數(shù)據(jù)時(shí)，需要結(jié)合上下文才能判斷是寫(xiě) main 區(qū)域還是寫(xiě) main + spare 區(qū)域；- nandflash 一般需要ecc 校驗(yàn)功能來(lái)保證數(shù)據(jù)的安全，但是在前期調(diào)試階段，我們可以不考慮ecc 校驗(yàn)直接實(shí)現(xiàn)裸讀一頁(yè)數(shù)據(jù)的功能。事實(shí)上，我們也無(wú)法考慮ecc 校驗(yàn)的功能，因?yàn)榈浆F(xiàn)在為止還不能寫(xiě)數(shù)據(jù)到 nandflash的main區(qū)域，更別說(shuō)寫(xiě) ecc 校驗(yàn)碼到oob區(qū)域；- 我們需要先實(shí)現(xiàn)讀數(shù)據(jù)的功能，確保讀數(shù)據(jù)功能的可靠后，待會(huì)才能用其來(lái)驗(yàn)證寫(xiě)數(shù)據(jù)的操作；

6. 在 U-boot 或者 Linux 下實(shí)現(xiàn)裸寫(xiě)一頁(yè)數(shù)據(jù)（ 不考慮ecc校驗(yàn) ）的功能；nand_write_page_raw（）- 裸寫(xiě)一頁(yè)和裸讀一頁(yè)的操作可以相互協(xié)同驗(yàn)證；- uboot 的 cmp 命令可以對(duì)比兩塊內(nèi)存的數(shù)據(jù)是否相同，該命令可以用于驗(yàn)證寫(xiě)操作是否成功；

7. 在 U-boot 或者 Linux 下實(shí)現(xiàn)寫(xiě)一頁(yè)數(shù)據(jù)到 main區(qū)域，并將 nandflash 控制器生成的 ecc 校驗(yàn)碼填寫(xiě)到oob區(qū)域：nand_write_page（）

- 寫(xiě)一頁(yè)數(shù)據(jù)到 main 區(qū)域時(shí)，nandflash 控制器會(huì)生成 ecc 校驗(yàn)碼，這些校驗(yàn)碼就是用來(lái)保護(hù)這一頁(yè)數(shù)據(jù)的；

8. 在 U-boot 或者 Linux 下實(shí)現(xiàn)讀一頁(yè)數(shù)據(jù)的功能，包括讀 main 區(qū)域的數(shù)據(jù)和 spare 區(qū)域的 ecc 校驗(yàn)碼：nand_read_page（）

- 從nandflash spare 區(qū)域讀到的 ecc 校驗(yàn)碼應(yīng)該發(fā)送給 nandflash 控制器，nandflash 控制器會(huì)幫我們計(jì)算好是否有bit 錯(cuò)誤，并且將結(jié)果和糾錯(cuò)需要用到的信息保存在寄存器中，軟件通過(guò)寄存器里的信息推導(dǎo)出正確的數(shù)據(jù)；

9. 由于bit 錯(cuò)誤的問(wèn)題不容易出現(xiàn)，所以在調(diào)試階段需要人為制造出與 spare 區(qū)域 不匹配的 main 數(shù)據(jù)，以檢驗(yàn)ecc 校驗(yàn)功能是否正常，即數(shù)據(jù)是否能被糾正，大體的思路是：

- 通過(guò) nand_write_page（） 寫(xiě)一頁(yè)正確的數(shù)據(jù)到 main 區(qū)域 和 spare 區(qū)域；- 篡改在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，然后通過(guò) nand_write_page_raw（） 將篡改后的數(shù)據(jù)填寫(xiě)到 main 區(qū)域，spare 區(qū)域保持不變；- 通過(guò)nand_read_page 讀 一頁(yè)數(shù)據(jù)，如果能執(zhí)行糾錯(cuò)相關(guān)的代碼，并且能獲取到被篡改之前的數(shù)據(jù)，則說(shuō)明校驗(yàn)功能是可以工作的；

10. 如果 main 區(qū)域的 ecc 校驗(yàn)碼字節(jié)數(shù)比較多，并且 spare 區(qū)域足夠大的話，可以對(duì)存放在 spare 區(qū)域里的 main ecc校驗(yàn)碼進(jìn)行二次 ecc，這時(shí)生成的 ecc 校驗(yàn)碼我將其稱(chēng)為 spare ecc，它一般會(huì)存放在spare區(qū)域的末尾，并不是必須的；

（五） Linux Nand Flash驅(qū)動(dòng)

參考：

《韋東山嵌入式Linux視頻第二期-nandflash》

Linux MTD stack

對(duì)于nandflash 驅(qū)動(dòng)，需要重點(diǎn)關(guān)注的地方：

Flash memory abstraction layer/MTD layerdrivers/mtd/mtd*.c

Flash type abstration layer/NAND coredrivers/mtd/nand/nand_*.c

Flash controller driversdrivers/mtd/nand/*_nand.c

NAND legacy stack（ Linux-4.16 之前）

/dev/mtd0是nandflash設(shè)備的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，上圖展示了 read（”/dev/mtd0“） 的底層實(shí)現(xiàn)（MTD layer-》NAND core-》Controller driver）。

NAND legacy stack 的弊端

無(wú)法執(zhí)行細(xì)粒度的NAND Flash 命令，粒度的大小被限制在NAND core層面了；

芯片廠商更新的NAND Flash特性時(shí)需修改所有的Controller driver；

NAND new stack（ Linux-4.16 之后）

將NAND 的控制邏輯下放到Controller driver層，NAND Core統(tǒng)一調(diào)用Controller driver提供的鉤子函數(shù)：exec_op（）;

（六） 測(cè)試穩(wěn)定性和性能

MTD tests support

mtd_nandecctest.ko：nand flash的ECC校驗(yàn)測(cè)試

mtd_pagetest.ko：nand flash的page讀寫(xiě)測(cè)試

mtd_speedtest.ko：MTD分區(qū)的讀寫(xiě)速度測(cè)試

mtd_subpagetest.ko：nand flash的sub-page接口測(cè)試

mtd_oobtest.ko：nand falsh的OOB區(qū)域讀寫(xiě)測(cè)試

mtd_readtest.ko：讀取整個(gè)MTD分區(qū)

mtd_stresstest.ko：隨機(jī)讀寫(xiě)，擦除操作測(cè)試

mtd_torturetest.ko：該功能可用于做穩(wěn)定性或者壽命測(cè)試，隨機(jī)操作直到發(fā)生錯(cuò)誤

示例如下：

insmod mtd_stresstest.ko dev=9 count=1000

［ 3289.273771］ =================================================

［ 3289.279826］ mtd_stresstest： MTD device： 9

［ 3289.284079］ mtd_stresstest： MTD device size 268435456， eraseblock size 131072， page size 2048， count of eraseblocks 2048， pages per eraseblock 64， OOB size 64

［ 3289.303250］ mtd_stresstest： scanning for bad eraseblocks

［ 3289.420267］ mtd_stresstest： scanned 2048 eraseblocks， 0 are bad

［ 3289.426534］ mtd_stresstest： doing operations

［ 3289.431031］ mtd_stresstest： 0 operations done

［ 3339.606972］ mtd_stresstest： finished， 1000 operations done

［ 3339.612992］ =================================================

一個(gè)反復(fù)讀寫(xiě)并校驗(yàn)數(shù)據(jù)正確性的小腳本：

#！/bin/sh

rm -rf /media/local/

count=1

while ［ ${count} -lt 600 ］; do

TSTAMP=”`date` | ---》 ${count}“echo”$TSTAMP“

mkdir -p /media

time cp /usr/local /media/ -raf

diff /usr/local /media/local -r || exit -1

rm -rf /media/local;

sync

let count=${count}+1

done

三、NAND Flash 文件系統(tǒng)的選擇：YAFFS2

參考：

《基于nand flash的文件系統(tǒng)的整理》

《Cramfs、JFFS2、YAFFS2的全面對(duì)比》

針對(duì) nandflash 特點(diǎn)優(yōu)化其性能以及克服其缺點(diǎn)

nanflash 不是通常意義上的塊設(shè)備，塊設(shè)備的特點(diǎn)是可以對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行讀、寫(xiě)操作（如磁盤(pán)，文件系統(tǒng)等），但是對(duì)于nanflash 來(lái)說(shuō)有三種操作分別是：讀、寫(xiě)、擦除。只有對(duì)已擦除的塊才能進(jìn)行寫(xiě)操作。所以為了使其兼容傳統(tǒng)的硬件和系統(tǒng)，需要對(duì)其進(jìn)行特殊處理；

當(dāng)一個(gè)閃存處在干凈狀態(tài)時(shí)（被擦除過(guò)，但是還沒(méi)有寫(xiě)操作發(fā)生），這塊flash上的每一位（bit）都是邏輯1；

閃存的使用壽命是有限的，具體來(lái)說(shuō)，閃存的使用壽命是由擦除塊的最大可擦除次數(shù)來(lái)決定的。超過(guò)了最大可擦除次數(shù)，這個(gè)擦除塊就成為壞塊（bad block）了。因此要避免某個(gè)擦除塊被過(guò)度使用，以至于先于其他擦除塊變成壞塊，應(yīng)該在盡量少影響性能的前提下，使擦寫(xiě)操作均勻分布在每個(gè)擦除塊上，叫做損耗均衡（wear leveling）。

YAFFS意為「Yet Another Flash File System」，是目前唯一一個(gè)專(zhuān)門(mén)為NAND Flash設(shè)計(jì)的文件系統(tǒng)。它采用了類(lèi)日志結(jié)構(gòu)，結(jié)合NAND Flash的特點(diǎn)，提供了損耗平衡和掉電保護(hù)機(jī)制，可以有效地避免意外掉電對(duì)文件系統(tǒng)一致性和完整性的影響。

nanflash 和 YAFFS2之間是如何配合的？

通過(guò)分析mkyaffs2iamge.c可知：

yaffs2 映像文件是由一個(gè)個(gè)的main（4096） + spare（224）數(shù)據(jù)組成；

main里存放的是文件（包括目錄、普通文件、特殊文件等）數(shù)據(jù)；

spare里前面的nand_oobinfo-》oobfree（2+22=24）個(gè)字節(jié)歸yaffs2自由使用，然后接下來(lái)的nand_oobinfo-》eccbytes（104）個(gè)字節(jié)都填0xFF，即yaffs2 images本身是不含有ecc校驗(yàn)碼的；（以上數(shù)值跟實(shí)際nandflash芯片相關(guān)）

更多細(xì)節(jié)：

how-yaffs-works［1］

參考資料

［1］YAFF2官網(wǎng)：https://yaffs.net/documents/how-yaffs-works編輯：jq