【驱动】MTD子系统分析

MTD介绍

　　MTD，Memory Technology Device即内存技术设备

　　字符设备和块设备的区别在于前者只能被顺序读写，后者可以随机访问；同时，两者读写数据的基本单元不同。

　　字符设备，以字节为基本单位，在Linux中，字符设备实现的比较简单，不需要缓冲区即可直接读写，内核例程和用户态API一一对应，用户层的Read函数直接对应了内核中的Read例程，这种映射关系由字符设备的file_operations维护。

　　块设备，则以块为单位接受输入和返回输出。对这种设备的读写是按块进行的，其接口相对于字符设备复杂，read、write API没有直接到块设备层，而是直接到文件系统层，然后再由文件系统层发起读写请求。
　　同时，由于块设备的IO性能与CPU相比很差，因此，块设备的数据流往往会引入文件系统的Cache机制。

　　MTD设备既非块设备也不是字符设备，但可以同时提供字符设备和块设备接口来操作它。

MTD总概述

　　Linux中MTD的所有源码位于/drivers/mtd子目录下,

　　MTD设备通常可分为四层
　　上到下依次是：设备节点、MTD设备层、MTD原始设备层和硬件驱动层。

Flash硬件驱动层

　　硬件驱动层负责在init时驱动Flash硬件并建立从具体设备到MTD原始设备映射关系

　　tip: 映射关系通常包括分区信息、I/O映射及特定函数的映射

drivers/mtd/chips :   CFI/jedec接口通用驱动
drivers/mtd/nand :   nand通用驱动和部分底层驱动程序
drivers/mtd/maps :   nor flash映射关系相关函数
drivers/mtd/devices:   nor flash底层驱动

MTD原始设备

　　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。

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）。

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

文件系统

　　内核启动后，通过mount 命令可以将flash中的其余分区作为文件系统挂载到mountpoint上。

MTD数据结构

重要的数据结构:

mtd_info 表示mtd原始设备, 所有mtd_info结构体被存放在mtd_info数组mtd_table中
mtd_part 表示MTD分区，其中包含了 mtd_info，每一个分区都是被看成一个MTD 原始设备

　　在mtd_table中，mtd_part.mtd_info中的大部分数据都从该分区的主分区mtd_part->master中获得
　　tip: master不作为一个mtd原始设备加入mtd_table

　　各层之间的交互如下图

mtd_info的主要数据结构

域	作用
type	mtd类型, 包括MTD_NORFLASH,MTD_NANDFLASH等(See mtd-abi.h)
flags	标志位, MTD_WRITEABLE,MTD_NO_ERASE等(See mtd-abi.h)
size	mtd设备的大小
erasesize	主要的擦除大小, 即Flash的块大小 (tip: mtd设备可能有多个erasesize)
writesize	写大小, 对于norFlash是字节,对nandFlash为一页
oobsize	每块oob数据量, eg 16
oobavail
name	命名
index
ecclayout	nand_ecclayout结构体指针, 表示的是ecc布局,可参考硬件手册的OOB中ecc布局
numeraseregions	可变擦除区域的数目, 通常为1
eraseregions	mtd_erase_region_info结构体指针, 可变擦除区域
erase	擦除Flash函数
read/write	读写Flash函数
read_oob/write_oob	带oob读写Flash函数
suspend/resume	Power Management functions
priv	私有数据, cfi接口flash指向map_info结构, 或指向自定义flash相关结构体

mtd_part的主要数据结构

域	作用
mtd	分区信息, 大部分由master决定
master	分区的主分区
offset	分区的偏移地址
index	分区号 (3.0后不存在该字段)
list	将mtd_part链成一个链表mtd_partitons

mtd_part的主要数据结构

域	作用
mtd	分区信息, 大部分由master决定
master	分区的主分区
offset	分区的偏移地址
index	分区号 (3.0后不存在该字段)
list	将mtd_part链成一个链表mtd_partitons

mtd_partition的主要数据结构

域	作用
name
size
offset
mask_flags
ecclayout
mtdp

map_info的主要数据结构

域	作用
name	名称
size	大小
phys	物理地址
bankwidth	总线宽度(in octets)
virt	虚拟地址,通常通过ioremap将物理地址进行映射得到
read/copy_from/write/copy_to	读写函数
map_priv_1/map_priv_2	驱动可用的私有数据

nand_chip的主要数据结构

域	作用
IO_ADDR_R/IO_ADDR_W	读/写8根io线的地址
read_byte/read_word	从芯片读一个字节/字
read_buf/write_buf	读芯片读取内容至缓冲区/将缓冲区内容写入芯片
verify_buf
select_chip
block_bad	检查是否坏块
block_markbad	标识坏块
cmd_ctrl	硬件相关控制函数
init_size
dev_ready
cmdfunc	命令处理函数
waitfunc
erase_cmd	擦除命令
scan_bbt	扫描坏块
errstat
write_page
options	与具体的NAND 芯片相关的选项, 如NAND_USE_FLASH_BBT等(nand.h)
page_shift

ecclayout	nand_ecclayout类型结构体, ECC布局信息
ecc	nand_ecc_ctrl类型结构体, ECC控制结构

nand_ecclayout的主要数据结构

域	作用
eccbytes	ecc的字节数(For 512B-per-page, eccbytes is 3)
eccpos	ecc数据在oob中的位置
oobavail	oob中可用的字节数, MTD 会根据其它三个变量自动计算得到
oobfree	nand_oobfree类型结构体, 显示定义空闲的oob 字节

MTD相关层实现

MTD设备层

mtd字符设备接口:
　　mtdchar.c 实现了字符设备接口，通过它，用户可以直接操作Flash 设备。
　　Ø 通过read()、write()系统调用可以读写Flash。
　　Ø 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)
　　tip: mtd_read和mtd_write直接直接调用mtd_info的read 函数，因此，字符设备接口跳过patition这一层

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。
　　块设备模拟驱动按照block 号和偏移量来定位文件，因此在Flash 上除了文件数据，基本没有额外的控制数据。

MTD原始设备层

MTD硬件驱动层

NOR Flash驱动结构

　　Linux系统实现了针对cfi,jedec等接口的通用NOR Flash驱动
　在上述接口驱动基础上，芯片级驱动较简单
定义具体内存映射结构体map_info，然后通过接口类型后调用do_map_probe()
　　以h720x-flash.c为例(位于drivers/mtd/maps)
　　- 定义map_info结构体, 初始化成员name, size, phys, bankwidth
　　- 通过ioremap映射成员virt(虚拟内存地址)
　　- 通过函数simple_map_init初始化map_info成员函数read,write,copy_from,copy_to
　　- 调用do_map_probe进行cfi接口探测, 返回mtd_info结构体
　　- 通过parse_mtd_partitions, add_mtd_partitions注册mtd原始设备

NAND Flash驱动结构

　　Linux实现了通用NAND驱动(drivers/mtd/nand/nand_base.c)
　　tip: For more, check 内核中的NAND代码布局
　　芯片级驱动需要实现nand_chip结构体
　　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。

Ø NAND芯片级初始化
　　主要有以下几个步骤:
　　- 分配nand_chip内存，根据目标板及NAND控制器初始化nand_chip中成员函数(若未初始化则使用nand_base.c中的默认函数)，将mtd_info中的priv指向nand_chip(或板相关私有结构)，设置ecc模式及处理函数
　　- 以mtd_info为参数调用nand_scan()探测NAND FLash。
　nand_scan()会读取nand芯片ID，并根据mtd->priv即nand_chip中成员初始化mtd_info
　　- 若有分区，则以mtd_info和mtd_partition为参数调用add_mtd_partitions()添加分区信息

Ø MTD对NAND芯片的读写
　　主要分三部分:
　　A、struct mtd_info中的读写函数，如read，write_oob等，这是MTD原始设备层与FLASH硬件层之间的接口；
　　B、struct nand_ecc_ctrl中的读写函数，如read_page_raw，write_page等，主要用来做一些与ecc有关的操作；
　　C、struct nand_chip中的读写函数，如read_buf，cmdfunc等，与具体的NAND controller相关，就是这部分函数与硬件交互，通常需要我们自己来实现。
　　tip: nand_chip中的读写函数虽然与具体的NAND controller相关，但是MTD也为我们提供了默认的读写函数，如果NAND controller比较通用(使用PIO模式)，那么对NAND芯片的读写与MTD提供的这些函数一致，就不必自己实现这些函数。

eg: 以读为例

　　MTD上层会调用struct mtd_info中的读page函数，即nand_read函数。
　　接着nand_read函数会调用struct nand_chip中cmdfunc函数，这个cmdfunc函数与具体的NAND controller相关，它的作用是使NAND controller向NAND 芯片发出读命令，NAND芯片收到命令后，就会做好准备等待NAND controller下一步的读取。
　　接着nand_read函数又会调用struct nand_ecc_ctrl中的read_page函数，而read_page函数又会调用struct nand_chip中read_buf函数，从而真正把NAND芯片中的数据读取到buffer中(所以这个read_buf的意思其实应该是read into buffer，另外，这个buffer是struct mtd_info中的nand_read函数传下来的)。
　　read_buf函数返回后，read_page函数就会对buffer中的数据做一些处理，比如校验ecc，以及若数据有错，就根据ecc对数据修正之类的，最后read_page函数返回到nand_read函数中。
　　对NAND芯片的其它操作，如写，擦除等，都与读操作类似。

Flash转换层

　　Tranlation Layer

　　逻辑块地址(Logical Block Address)对应到Flash存储器的物理位置，使系统能把Flash当作普通的硬盘一样处理

　　FTL
　　Nor Flash

　　NFTL
　　Nand Flash

　　闪存转换层要做下面的操作来完成写请求：
　　将这个扇区所在擦除块的数据读到内存中，放在缓存中。
　　将缓存中与这个扇区对应的内容用新的内容替换。
　　对该擦除块执行擦除操作。
　　将缓冲中的数据写回该擦除块。