Linux Mtd子系统4

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分类专栏： Linux内核子系统文章标签： linux 运维服务器

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Linux Mtd子系统4（基于Linux6.6）---NANDFLASH驱动模型介绍

一、Nandflash概念

NAND Flash 是一种基于 NAND 逻辑门阵列的非易失性存储器，具有以下几个特点：

非易失性存储：即便电源断开，存储的数据仍然会被保留。
高密度存储：比传统的 NOR Flash 存储密度更高，常见于大容量存储设备中。
擦写操作：NAND Flash 无法逐字节地修改数据，只能按块（Block）擦除，因此写入操作需要通过一定的管理机制来优化。
页（Page）与块（Block）结构：NAND Flash 被组织为多个页（Page）和块（Block）。每个页通常有几千字节的容量（如2KB、4KB等），而一个块通常包含数十个页。一个块是擦除的基本单位。
耐用性：NAND Flash 的擦写次数是有限的，通常是数千到数万次，因此需要对擦写进行管理，避免对同一位置过度擦写，延长闪存的使用寿命。

NAND Flash 通常用于存储大量数据，如操作系统、应用程序、媒体文件等。与 NOR Flash 相比，NAND Flash 通常有更高的存储密度和更低的成本，因此更适合大容量存储应用。

MTD 子系统与 NAND Flash

在 Linux 中，MTD（Memory Technology Device） 子系统为 NAND Flash 和其他类型的存储设备提供了一致的访问接口。MTD 允许用户和内核模块对闪存设备进行原始的读写操作，并通过抽象化的接口屏蔽底层硬件的差异。

MTD 子系统的作用包括：

提供对闪存设备的统一接口，使操作系统可以进行读写、擦除等操作。
支持多种闪存类型，如 NAND Flash、NOR Flash、SPI Flash 等。
管理闪存的生命周期（如擦写次数、坏块管理等）。

二、Nandlfash及Nand controller的特点

从nandflash自身特性关注以下几点：

nandflash存在bit翻转的情况，因此需要相应的纠错算法，而纠错与检测操作由具体的nandflash controller实现，可以实现硬件纠错（如汉明纠错、bch4、bch8纠错算法等），也可使用软件纠错算法；
Nandflash controller与nandflash之间通信命令是统一的，即针对一个nandflash controller可以与任意一个nandflash通信；
针对每一个nandflash controller，访问该nandflash controller的方式有所不同，如寄存器定义、读写地址等有所不同；
nandflash的擦除次数由显示（10万次），因此在使用过程中，存在坏块。

Linux NAND 控制器的主要特点如下：

1. 支持多种 NAND Flash 类型

Linux 内核支持多种类型的 NAND Flash 存储，包括 SLC（单级单元）、MLC（多级单元）、TLC（三层单元）、QLC（四层单元）等。Linux 控制器通过抽象层提供对这些不同类型 NAND 存储的兼容性。

2. 内核中的 NAND 驱动支持

在 Linux 内核中，NAND 控制器通常通过专门的 NAND 驱动（NAND driver） 来与硬件交互。内核中的 NAND 驱动包括对硬件的初始化、坏块管理、擦写操作、读取操作等基本功能的支持。常见的驱动包括：

MTD（Memory Technology Device）子系统：Linux 使用 MTD 子系统来处理 NAND Flash 存储。MTD 为存储提供统一的接口，使得多种 NAND Flash 类型可以在同一平台上被支持。
NAND Flash 驱动程序：包括特定硬件的驱动程序，如 omap2-nand（用于基于 OMAP 的平台）和 atmel-nand（用于 Atmel NAND 控制器）等。

3. 坏块管理（Bad Block Management, BBM）

由于 NAND Flash 的存储特性，某些块可能会损坏。Linux 内核通过坏块管理机制来检测和避免这些坏块，从而确保数据不会写入无法正常工作的块。内核中的 NAND 驱动会在初始化时扫描块，标记坏块，并跳过这些块以保证数据完整性。

4. 磨损平衡（Wear Leveling）

Linux 的 NAND 控制器通常支持 全局磨损平衡（Global Wear Leveling） 和 局部磨损平衡（Local Wear Leveling）。磨损平衡可以均匀地分配写入操作到 NAND Flash 的各个块上，以防止某些块因为频繁擦写而提前失效。

5. 垃圾回收（Garbage Collection）

垃圾回收是 NAND Flash 存储管理中的关键技术，用于清理无效数据并回收存储空间。Linux 的 NAND 驱动程序中通常包含垃圾回收算法，用于合并和擦除无效的块，确保在存储设备的写入操作中提供足够的可用空间。

6. 错误检测和纠正（ECC）

Linux 中的 NAND 控制器支持 错误检测与纠正（Error Correction Code, ECC），以确保数据的可靠性。NAND Flash 本身可能会由于擦写次数过多或电磁干扰导致数据出现错误。ECC 用于检测和纠正这些错误，以提高存储设备的可靠性。

7. 多通道并行操作支持

在高性能的 Linux NAND 控制器中，可能支持多通道并行写入或读取操作。Linux 内核中的驱动程序可以调度多个通道同时工作，提供更高的 I/O 吞吐量和更低的延迟。

8. 灵活的存储层次结构支持

Linux 对 NAND 控制器的支持不仅限于底层硬件的操作，还包括如何高效地组织和管理存储层次结构。例如，MTD 子系统和上层的 块设备（Block Devices） 接口允许开发者创建虚拟的磁盘驱动器（如 SSD），为用户空间应用提供可靠的存储抽象。

9. 性能优化和调度

Linux 提供了针对 NAND 存储的性能优化机制。通过合理的 I/O 调度算法，如 CFQ（Completely Fair Queuing）、deadline、noop 等，Linux 能够优化 NAND 控制器的性能。这些调度器可以根据系统负载和设备状态智能地调整读写顺序，减少延迟，优化吞吐量。

10. 支持多种闪存控制器硬件

Linux 支持多种不同厂商的 NAND 控制器硬件。例如，Linux 驱动程序通常包含对 Samsung、Micron、Hynix、Toshiba 等 NAND Flash 控制器的支持。这些控制器可能具有不同的功能和优化策略，Linux 内核通过通用接口提供对这些硬件的兼容性。

11. 闪存分区和文件系统支持

Linux 中的 NAND 控制器不仅限于提供硬件管理，它还允许通过特定的文件系统对 NAND Flash 进行分区和管理。例如，UBIFS（UBI File System） 和 JFFS2（Journaling Flash File System 2） 是针对 NAND Flash 存储优化的文件系统，它们为 NAND 存储提供了更高效的空间利用和数据恢复功能。

12. 低功耗支持

在嵌入式系统中，Linux 通常会优化 NAND 控制器的能效。通过适当的电源管理机制（如动态电压频率调整、低功耗模式等），Linux 可以最大限度地降低 NAND 控制器的功耗，延长设备的电池使用时间。

三、Linux nandflash驱动模块抽象

而针对nandflash驱动模块而言，基本上也就是按照上面的特点进行抽象，其驱动模型大概可分为如下几部分：

针对每一个nandflash controller，抽象结构体变量struct nand_chip；所有的接口以及变量均由该结构体去实现关联
基于nandflash controller与nandflash的通信命令是统一的，抽象出统一的读、写、擦除等接口，作为mtd_info的_write、_read、badblock等接口；
基于nandflash存在bit翻转且每一个nandcontroller实现的纠错算法不同，因此每一个nandflash controler需要实现自己的纠错接口、校验接口等；
针对每一个nandflash controller而言，需要提供访问该nandflash controller的接口（包括向nandflash发送命令的接口、读写数据接口（通过nandflash controller，间接实现访问nandflash））。

在驱动模块中，主要抽象了nand_chip结构体，以及对mtd层而抽象出来的统一的处理接口。下面是nand_chip结构体、对应的抽象接口以及mtd_info之间的关联关系图。下具体说明它们的关联，并与nandflash驱动模块进行关联说明。

mtd_info->priv指向nand_chip，实现mtd与nand flash驱动模块的关联；
nandflash驱动模型对上抽象出统一的接口，用于抽象针对nandflash的操作（与vfs接口抽象、mtd模块向上抽象统一读写接口类似），并赋值给mtd_info中对应的函数指针（即mtd_info的_erase、_write、_read等），为nand_write、nand_read、nand_read_oob等等，此处的读写数据接口，可读取任意长度的数据。
因nandflash存在纠错、校验等因此nandflash驱动模块又抽象针对ecc的结构体struct nand_ecc_ctrl，而该结构体中定义了读写一页数据的接口（针对nandflash而言，读写的单位为页，而擦除的单位为块大小），而不同的nandflash控制器，其支持的校验及纠错方式有所不同，因此这部分接口需要各nandflash控制器驱动实现。
Nand_chip本身也提供了操作nandflash的接口，包括read_byte、read_buf、write_buf、block_bad等接口，这部分接口相对nand_ecc_ctrl的接口而言更加底层，实现一个字节或者多个字节的读写，同时也提供nand_chip芯片选择等接口以及命令控制相关的接口等。而这部分接口也是和nand_controller所息息相关的，因此也有相应的nand_controller驱动实现（当然若nand_controller没有特殊的操作，则可以使用nandflash模块已定义的通用接口）

通过以上几步即完成了mtd、nand_chip的关联，同时也就完成了mtd_write、mtd_read接口通过nand_write、mtd_read接口，然后再到nand_ecc_ctrl->read_page/write_page接口，最终调用nand_chip->read_buf/write_buf，实现与nandflash的读写通信。

四、Nandflash驱动模块相关的数据结构

针对nandflash驱动模块，几个数据结构nand_chip、nand_ecc_ctrl，下面详细说明下nandflash驱动模块相关的数据结构。针对linux内核各子模块而言，理解了其数据结构抽象，基本上也就对模块实现理解了60%左右，因此针对linux内核各模块的学习，强烈建议好好理解其相应的数据结构及它们之间的关联。nandflash驱动模块的结构体包括nand_chip、nand_onfi_params、nand_hw_control、nand_ecclayout、nand_ecc_ctrl、nand_hw_control、nand_bbt_descr等，这些结构体以nand_chip为主。

4.1、nand_chip

该结构体定义了nand_controller的属性以及接口，主要包括：

与nand_controller通信的地址空间（包括命令下发、读写操作的接口，即IO_ADDR_R/IO_ADDR_W）;
通过nand_controller读写flash数据的接口（read_byte、read_word、write_buff、read_buff，芯片选择接口select_chip、坏块判断及坏块标记接口block_bad、block_markbad，向nandflash发送命令的接口cmd_ctrl、cmdfunc、waitfunc、erase_cmd，坏块表相关的接口scan_btt等、支持onfi规范的nandflash相关的操作接口及属性等）；
芯片的个数、芯片的总大小、页大小、block大小、坏块标记在oob的位置及个数等
oob中ecc位置及大小相关的结构体变量nand_ecclayout
ecc纠错相关的接口及属性的结构体变量nand_ecc_ctrl。

include/linux/mtd/rawnand.h

struct nand_chip {
	struct nand_device base;
	struct nand_id id;
	struct nand_parameters parameters;
	struct nand_manufacturer manufacturer;
	struct nand_chip_ops ops;
	struct nand_legacy legacy;
	unsigned int options;

	/* Data interface */
	const struct nand_interface_config *current_interface_config;
	struct nand_interface_config *best_interface_config;

	/* Bad block information */
	unsigned int bbt_erase_shift;
	unsigned int bbt_options;
	unsigned int badblockpos;
	unsigned int badblockbits;
	struct nand_bbt_descr *bbt_td;
	struct nand_bbt_descr *bbt_md;
	struct nand_bbt_descr *badblock_pattern;
	u8 *bbt;

	/* Device internal layout */
	unsigned int page_shift;
	unsigned int phys_erase_shift;
	unsigned int chip_shift;
	unsigned int pagemask;
	unsigned int subpagesize;

	/* Buffers */
	u8 *data_buf;
	u8 *oob_poi;
	struct {
		unsigned int bitflips;
		int page;
	} pagecache;
	unsigned long buf_align;

	/* Internals */
	struct mutex lock;
	unsigned int suspended : 1;
	wait_queue_head_t resume_wq;
	int cur_cs;
	int read_retries;
	struct nand_secure_region *secure_regions;
	u8 nr_secure_regions;
	struct {
		bool ongoing;
		unsigned int first_page;
		unsigned int pause_page;
		unsigned int last_page;
	} cont_read;

	/* Externals */
	struct nand_controller *controller;
	struct nand_ecc_ctrl ecc;
	void *priv;
};

4.2、nand_ecc_ctrl

该结构体变量的定义如下，主要定义了一个nand_controller所支持的ecc计算、校验及纠错相关的内容：

定义了ecc类型（无、软件ecc、硬件ecc等）；
定义了一个page需要进行ecc计算的次数，每次ecc计算对应的数据大小（如每512字节进行一次ecc计算），每次ecc计算所产生的ecc字节数等等；
定义了ecc操作相关的接口（若开启ecc接口hwctl、计算ecc值接口calculate、纠错接口correct（主要用于读取数据时，若读取数据计算的ecc值与存储在oob中的ecc不匹配，则需要纠错，如bch8纠错算法，则每512字节可最多发现9bit错误，最大纠正8bit数据等），并提供了读写一页数据的接口，主要供mtd_info->_read/_write调用，即被nand_read、nand_write调用，还包括读写oob数据的接口，在之前我们说明oob主要存储ecc信息，但针对yaffs2文件系统，也存储文件系统相关的信息，因此针对挂载yaffs2文件系统而言，要在boot和kernel中确认好yaffs2文件系统信息存储在oob中的起始位置与大小，并保持一致）

include/linux/mtd/rawnand.h

struct nand_ecc_ctrl {
	nand_ecc_modes_t mode;
	enum nand_ecc_algo algo;
	int steps;
	int size;
	int bytes;
	int total;
	int strength;
	int prepad;
	int postpad;
	unsigned int options;
	void *priv;
	void (*hwctl)(struct mtd_info *mtd, int mode);
	int (*calculate)(struct mtd_info *mtd, const uint8_t *dat,
			uint8_t *ecc_code);
	int (*correct)(struct mtd_info *mtd, uint8_t *dat, uint8_t *read_ecc,
			uint8_t *calc_ecc);
	int (*read_page_raw)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *chip,
			uint8_t *buf, int oob_required, int page);
	int (*write_page_raw)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *chip,
			const uint8_t *buf, int oob_required, int page);
	int (*read_page)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *chip,
			uint8_t *buf, int oob_required, int page);
	int (*read_subpage)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *chip,
			uint32_t offs, uint32_t len, uint8_t *buf, int page);
	int (*write_subpage)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *chip,
			uint32_t offset, uint32_t data_len,
			const uint8_t *data_buf, int oob_required, int page);
	int (*write_page)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *chip,
			const uint8_t *buf, int oob_required, int page);
	int (*write_oob_raw)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *chip,
			int page);
	int (*read_oob_raw)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *chip,
			int page);
	int (*read_oob)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *chip, int page);
	int (*write_oob)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *chip,
			int page);
};

4.3、nand_ecclayout

该结构体主要用于说明ecc值在oob中存储的位置及大小，在每一个nand_controller的驱动中，会定义不同page size对应的nand_ecclayout，用于指明该page size对应的oob中的ecc的位置信息及大小等。

eccbytes表明了ecc数据的大小，这个针对选择的不同的纠错算法有所不同，比如bch4和bch8相比，每512字节所产生的ecc数据大小则是不同的（bch8产生的ecc大概为13bytes@per512bytes）。
eccpos则用于说明每一个ecc对应的位置；
oobavail则说明该oob除去ecc字节，所剩余的可用字节；
oobfree则用于说明3中剩余可用字节的位置。

include/uapi/mtd/mtd-abi.h

struct nand_ecclayout_user {
  __u32 eccbytes;
  __u32 eccpos[MTD_MAX_ECCPOS_ENTRIES];
  __u32 oobavail;
  struct nand_oobfree oobfree[MTD_MAX_OOBFREE_ENTRIES];
};

该结构体变量是一个非常重要的变量，需要保证bootloader和kernel中定义大小及pos是完全相同的，否则则可能导致系统无法在kernel中使用。另外，若使用yaffs2文件系统，则在进行nandflash芯片选型时，需要确认nandflash的oob在存储完ecc后有足够的空间存储yaffs2文件系统相关数据的空间（虽然也可以将yaffs2文件系统相关的信息存储page中，但那样会导致系统的读写时间变慢）。

4.4、nand_hw_control

该结构体变量主要定义了锁、等待队列，主要用于nandflash操作临界问题的解决，如当一个nandcontroller处于读操作时，若系统又触发了针对该nandcontroller的写操作，则将该写操作放入等待队列中，当读操作完成后唤醒该等待队列实现写操作。

struct nand_hw_control {

spinlock_t lock;

struct nand_chip *active;

wait_queue_head_t wq;

};

nand_bbt_descr与nand_onfi_params主要用于坏块表和onfi规范的nandflash，针对坏块表，之前没有使用过，可以不使用坏块表，即使使用坏块表，也就使用内存坏块表即可，也没有必要在nandflash中预留一些块用于存储坏块表。而nand_onfi_params主要用于支持onfi规范的nandflash。

include/linux/mtd/onfi.h

struct nand_onfi_params {
	/* rev info and features block */
	/* 'O' 'N' 'F' 'I'  */
	u8 sig[4];
	__le16 revision;
	__le16 features;
	__le16 opt_cmd;
	u8 reserved0[2];
	__le16 ext_param_page_length; /* since ONFI 2.1 */
	u8 num_of_param_pages;        /* since ONFI 2.1 */
	u8 reserved1[17];

	/* manufacturer information block */
	char manufacturer[12];
	char model[20];
	u8 jedec_id;
	__le16 date_code;
	u8 reserved2[13];

	/* memory organization block */
	__le32 byte_per_page;
	__le16 spare_bytes_per_page;
	__le32 data_bytes_per_ppage;
	__le16 spare_bytes_per_ppage;
	__le32 pages_per_block;
	__le32 blocks_per_lun;
	u8 lun_count;
	u8 addr_cycles;
	u8 bits_per_cell;
	__le16 bb_per_lun;
	__le16 block_endurance;
	u8 guaranteed_good_blocks;
	__le16 guaranteed_block_endurance;
	u8 programs_per_page;
	u8 ppage_attr;
	u8 ecc_bits;
	u8 interleaved_bits;
	u8 interleaved_ops;
	u8 reserved3[13];

	/* electrical parameter block */
	u8 io_pin_capacitance_max;
	__le16 sdr_timing_modes;
	__le16 program_cache_timing_mode;
	__le16 t_prog;
	__le16 t_bers;
	__le16 t_r;
	__le16 t_ccs;
	u8 nvddr_timing_modes;
	u8 nvddr2_timing_modes;
	u8 nvddr_nvddr2_features;
	__le16 clk_pin_capacitance_typ;
	__le16 io_pin_capacitance_typ;
	__le16 input_pin_capacitance_typ;
	u8 input_pin_capacitance_max;
	u8 driver_strength_support;
	__le16 t_int_r;
	__le16 t_adl;
	u8 reserved4[8];

	/* vendor */
	__le16 vendor_revision;
	u8 vendor[88];

	__le16 crc;
} __packed;