Linux MTD系统剖析

MTD，Memory Technology Device即内存技术设备，在Linux内核中，引入MTD层为NOR FLASH和NAND FLASH设备提供统一接口。MTD将文件系统与底层FLASH存储器进行了隔离。

如上图所示，MTD设备通常可分为四层，从上到下依次是：设备节点、MTD设备层、MTD原始设备层、硬件驱动层。

Flash硬件驱动层：Flash硬件驱动层负责对Flash硬件的读、写和擦除操作。MTD设备的Nand Flash芯片的驱动则drivers/mtd/nand/子目录下,Nor Flash芯片驱动位于drivers/mtd/chips/子目录下。

MTD原始设备层：用于描述MTD原始设备的数据结构是mtd_info，它定义了大量的关于MTD的数据和操作函数。其中mtdcore.c:  MTD原始设备接口相关实现，mtdpart.c :
 MTD分区接口相关实现。

MTD设备层：基于MTD原始设备，linux系统可以定义出MTD的块设备（主设备号31）和字符设备（设备号90）。其中mtdchar.c :
 MTD字符设备接口相关实现，mtdblock.c : MTD块设备接口相关实现。

设备节点：通过mknod在/dev子目录下建立MTD块设备节点（主设备号为31）和MTD字符设备节点（主设备号为90）。通过访问此设备节点即可访问MTD字符设备和块设备

MTD数据结构：

1.Linux内核使用mtd_info结构体表示MTD原始设备，这其中定义了大量关于MTD的数据和操作函数（后面将会看到），所有的mtd_info结构体存放在mtd_table结构体数据里。在/drivers/mtd/mtdcore.c里：

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1. struct mtd_info *mtd_table[MAX_MTD_DEVICES];

2.Linux内核使用mtd_part结构体表示分区，其中mtd_info结构体成员用于描述该分区，大部分成员由其主分区mtd_part->master决定，各种函数也指向主分区的相应函数。

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1. struct mtd_part {
2. struct mtd_info mtd;        /* 分区信息, 大部分由master决定 */
3. struct mtd_info *master;    /* 分区的主分区 */
4. uint64_t offset;            /* 分区的偏移地址 */
5. int index;                  /* 分区号 (Linux3.0后不存在该字段) */
6. struct list_head list;      /* 将mtd_part链成一个链表mtd_partitons */
7. int registered;
8. };

mtd_info结构体主要成员，为了便于观察，将重要的数据放在前面，不大重要的编写在后面。

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1. struct mtd_info {
2. u_char type;         /* MTD类型，包括MTD_NORFLASH,MTD_NANDFLASH等(可参考mtd-abi.h) */
3. uint32_t flags;      /* MTD属性标志，MTD_WRITEABLE,MTD_NO_ERASE等(可参考mtd-abi.h) */
4. uint64_t size;       /* mtd设备的大小 */
5. uint32_t erasesize;  /* MTD设备的擦除单元大小，对于NandFlash来说就是Block的大小 */
6. uint32_t writesize;  /* 写大小, 对于norFlash是字节,对nandFlash为一页 */
7. uint32_t oobsize;    /* OOB字节数 */
8. uint32_t oobavail;   /* 可用的OOB字节数 */
9. unsigned int erasesize_shift;   /* 默认为0，不重要 */
10. unsigned int writesize_shift;   /* 默认为0，不重要 */
11. unsigned int erasesize_mask;    /* 默认为1，不重要 */
12. unsigned int writesize_mask;    /* 默认为1，不重要 */
13. const char *name;               /* 名字，   不重要*/
14. int index;                      /* 索引号，不重要 */
15. int numeraseregions;            /* 通常为1 */
16. struct mtd_erase_region_info *eraseregions; /* 可变擦除区域 */
17. void *priv;     /* 设备私有数据指针，对于NandFlash来说指nand_chip结构体 */
18. struct module *owner;   /* 一般设置为THIS_MODULE */
19. /* 擦除函数 */
20. int (*erase) (struct mtd_info *mtd, struct erase_info *instr);
21. /* 读写flash函数 */
22. int (*read) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf);
23. int (*write) (struct mtd_info *mtd, loff_t to, size_t len, size_t *retlen, const u_char *buf);
24. /* 带oob读写Flash函数 */
25. int (*read_oob) (struct mtd_info *mtd, loff_t from,
26. struct mtd_oob_ops *ops);
27. int (*write_oob) (struct mtd_info *mtd, loff_t to,
28. struct mtd_oob_ops *ops);
29. int (*get_fact_prot_info) (struct mtd_info *mtd, struct otp_info *buf, size_t len);
30. int (*read_fact_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf);
31. int (*get_user_prot_info) (struct mtd_info *mtd, struct otp_info *buf, size_t len);
32. int (*read_user_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf);
33. int (*write_user_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf);
34. int (*lock_user_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len);
35. int (*writev) (struct mtd_info *mtd, const struct kvec *vecs, unsigned long count, loff_t to, size_t *retlen);
36. int (*panic_write) (struct mtd_info *mtd, loff_t to, size_t len, size_t *retlen, const u_char *buf);
37. /* Sync */
38. void (*sync) (struct mtd_info *mtd);
39. /* Chip-supported device locking */
40. int (*lock) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs, uint64_t len);
41. int (*unlock) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs, uint64_t len);
42. /* 电源管理函数 */
43. int (*suspend) (struct mtd_info *mtd);
44. void (*resume) (struct mtd_info *mtd);
45. /* 坏块管理函数 */
46. int (*block_isbad) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs);
47. int (*block_markbad) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs);
48. void (*unpoint) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len);
49. unsigned long (*get_unmapped_area) (struct mtd_info *mtd,
50. unsigned long len,
51. unsigned long offset,
52. unsigned long flags);
53. struct backing_dev_info *backing_dev_info;
54. struct notifier_block reboot_notifier;  /* default mode before reboot */
55. /* ECC status information */
56. struct mtd_ecc_stats ecc_stats;
57. int subpage_sft;
58. struct device dev;
59. int usecount;
60. int (*get_device) (struct mtd_info *mtd);
61. void (*put_device) (struct mtd_info *mtd);
62. };

mtd_info结构体中的read()、write()、read_oob()、write_oob()、erase()是MTD设备驱动要实现的主要函数，幸运的是Linux大牛已经帮我们实现了一套适合大部分FLASH设备的mtd_info成员函数。

如果MTD设备只有一个分区，那么使用下面两个函数注册和注销MTD设备。

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1. int add_mtd_device(struct mtd_info *mtd)
2. int del_mtd_device (struct mtd_info *mtd)

如果MTD设备存在其他分区，那么使用下面两个函数注册和注销MTD设备。

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1. int add_mtd_partitions(struct mtd_info *master,const struct mtd_partition *parts,int nbparts)
2. int del_mtd_partitions(struct mtd_info *master)

其中mtd_partition结构体表示分区的信息

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1. struct mtd_partition {
2. char *name;             /* 分区名，如TQ2440_Board_uboot、TQ2440_Board_kernel、TQ2440_Board_yaffs2 */
3. uint64_t size;          /* 分区大小 */
4. uint64_t offset;        /* 分区偏移值 */
5. uint32_t mask_flags;    /* 掩码标识，不重要 */
6. struct nand_ecclayout *ecclayout;   /* OOB布局 */
7. struct mtd_info **mtdp;     /* pointer to store the MTD object */
8. };
9. 其中nand_ecclayout结构体：
10. struct nand_ecclayout {
11. __u32 eccbytes;     /* ECC字节数 */
12. __u32 eccpos[64];   /* ECC校验码在OOB区域存放位置 */
13. __u32 oobavail;
14. /* 除了ECC校验码之外可用的OOB字节数 */
15. struct nand_oobfree oobfree[MTD_MAX_OOBFREE_ENTRIES];
16. };

关于nand_ecclayout结构体实例，更多可参考drivers/mtd/nand/nand_base.c下的nand_oob_8、nand_oob_16、nand_oob_64实例。

MTD设备层：

mtd字符设备接口：

/drivers/mtd/mtdchar.c文件实现了MTD字符设备接口，通过它，可以直接访问Flash设备，与前面的字符驱动一样，通过file_operations结构体里面的open()、read()、write()、ioctl()可以读写Flash，通过一系列IOCTL 命令可以获取Flash 设备信息、擦除Flash、读写NAND 的OOB、获取OOB layout 及检查NAND 坏块等(MEMGETINFO、MEMERASE、MEMREADOOB、MEMWRITEOOB、MEMGETBADBLOCK
IOCRL)

mtd块设备接口：

/drivers/mtd/mtdblock.c文件实现了MTD块设备接口，主要原理是将Flash的erase block 中的数据在内存中建立映射，然后对其进行修改，最后擦除Flash 上的block，将内存中的映射块写入Flash 块。整个过程被称为read/modify/erase/rewrite 周期。 但是，这样做是不安全的，当下列操作序列发生时，read/modify/erase/poweroff，就会丢失这个block 块的数据。

MTD硬件驱动层：

Linux内核再MTD层下实现了通用的NAND驱动(/driver/mtd/nand/nand_base.c)，因此芯片级的NAND驱动不再需要实现mtd_info结构体中的read()、write()、read_oob()、write_oob()等成员函数。

MTD使用nand_chip来表示一个NAND FLASH芯片, 该结构体包含了关于Nand Flash的地址信息,读写方法,ECC模式,硬件控制等一系列底层机制。

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1. struct nand_chip {
2. void  __iomem   *IO_ADDR_R;     /* 读8位I/O线地址 */
3. void  __iomem   *IO_ADDR_W;     /* 写8位I/O线地址 */
4. /* 从芯片中读一个字节 */
5. uint8_t (*read_byte)(struct mtd_info *mtd);
6. /* 从芯片中读一个字 */
7. u16     (*read_word)(struct mtd_info *mtd);
8. /* 将缓冲区内容写入芯片 */
9. void    (*write_buf)(struct mtd_info *mtd, const uint8_t *buf, int len);
10. /* 读芯片读取内容至缓冲区/ */
11. void    (*read_buf)(struct mtd_info *mtd, uint8_t *buf, int len);
12. /* 验证芯片和写入缓冲区中的数据 */
13. int     (*verify_buf)(struct mtd_info *mtd, const uint8_t *buf, int len);
14. /* 选中芯片 */
15. void    (*select_chip)(struct mtd_info *mtd, int chip);
16. /* 检测是否有坏块 */
17. int     (*block_bad)(struct mtd_info *mtd, loff_t ofs, int getchip);
18. /* 标记坏块 */
19. int     (*block_markbad)(struct mtd_info *mtd, loff_t ofs);
20. /* 命令、地址、数据控制函数 */
21. void    (*cmd_ctrl)(struct mtd_info *mtd, int dat,unsigned int ctrl);
22. /* 设备是否就绪 */
23. int     (*dev_ready)(struct mtd_info *mtd);
24. /* 实现命令发送 */
25. void    (*cmdfunc)(struct mtd_info *mtd, unsigned command, int column, int page_addr);
26. int     (*waitfunc)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *this);
27. /* 擦除命令的处理 */
28. void    (*erase_cmd)(struct mtd_info *mtd, int page);
29. /* 扫描坏块 */
30. int     (*scan_bbt)(struct mtd_info *mtd);
31. int     (*errstat)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *this, int state, int status, int page);
32. /* 写一页 */
33. int     (*write_page)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *chip,
34. const uint8_t *buf, int page, int cached, int raw);
35. int     chip_delay;         /* 由板决定的延迟时间 */
36. /* 与具体的NAND芯片相关的一些选项，如NAND_NO_AUTOINCR，NAND_BUSWIDTH_16等 */
37. unsigned int    options;
38. /* 用位表示的NAND芯片的page大小，如某片NAND芯片
39. * 的一个page有512个字节，那么page_shift就是9
40. */
41. int      page_shift;
42. /* 用位表示的NAND芯片的每次可擦除的大小，如某片NAND芯片每次可
43. * 擦除16K字节(通常就是一个block的大小)，那么phys_erase_shift就是14
44. */
45. int      phys_erase_shift;
46. /* 用位表示的bad block table的大小，通常一个bbt占用一个block，
47. * 所以bbt_erase_shift通常与phys_erase_shift相等
48. */
49. int      bbt_erase_shift;
50. /* 用位表示的NAND芯片的容量 */
51. int      chip_shift;
52. /* NADN FLASH芯片的数量 */
53. int      numchips;
54. /* NAND芯片的大小 */
55. uint64_t chipsize;
56. int      pagemask;
57. int      pagebuf;
58. int      subpagesize;
59. uint8_t  cellinfo;
60. int      badblockpos;
61. nand_state_t    state;
62. uint8_t     *oob_poi;
63. struct nand_hw_control  *controller;
64. struct nand_ecclayout   *ecclayout; /* ECC布局 */
65. struct nand_ecc_ctrl ecc;   /* ECC校验结构体，里面有大量的函数进行ECC校验 */
66. struct nand_buffers *buffers;
67. struct nand_hw_control hwcontrol;
68. struct mtd_oob_ops ops;
69. uint8_t     *bbt;
70. struct nand_bbt_descr   *bbt_td;
71. struct nand_bbt_descr   *bbt_md;
72. struct nand_bbt_descr   *badblock_pattern;
73. void        *priv;
74. };

最后，我们来用图表的形式来总结一下，MTD设备层、MTD原始设备层、FLASH硬件驱动层之间的联系。