【驱动】MTD子系统分析

古城微笑少年丶 2022-03-31 03:16 390阅读 0赞

## 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。

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## MTD总概述 ##

Linux中MTD的所有源码位于/drivers/mtd子目录下,

![14224259-e229cbe237674bccaea72057d6f111d0.jpg][]

**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。

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## MTD数据结构 ##

重要的数据结构:

1.  **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
2.  **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

![14224325-d752ed34b8cb471c90b31cf114c6a38a.png][]

mtd\_info的主要数据结构

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">域</td> 
   <td align="left">作用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">type</td> 
   <td align="left">mtd类型, 包括MTD_NORFLASH,MTD_NANDFLASH等(See mtd-abi.h)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">flags</td> 
   <td align="left">标志位, MTD_WRITEABLE,MTD_NO_ERASE等(See mtd-abi.h)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">size</td> 
   <td align="left">mtd设备的大小</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">erasesize</td> 
   <td align="left">主要的擦除大小, 即Flash的块大小 (tip: mtd设备可能有多个erasesize)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">writesize</td> 
   <td align="left">写大小, 对于norFlash是字节,对nandFlash为一页</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">oobsize</td> 
   <td align="left">每块oob数据量, eg 16</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">oobavail</td> 
   <td align="left">&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">name</td> 
   <td align="left">命名</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">index</td> 
   <td align="left">&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">ecclayout</td> 
   <td align="left">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</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">numeraseregions</td> 
   <td align="left">可变擦除区域的数目, 通常为1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">eraseregions</td> 
   <td align="left">mtd_erase_region_info结构体指针, 可变擦除区域</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">erase</td> 
   <td align="left">擦除Flash函数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">read/write</td> 
   <td align="left">读写Flash函数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">read_oob/write_oob</td> 
   <td align="left">带oob读写Flash函数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">suspend/resume</td> 
   <td align="left">Power Management functions</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">priv</td> 
   <td align="left">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</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

mtd\_part的主要数据结构

<table style="width:665px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">域</td> 
   <td align="left">作用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">mtd</td> 
   <td align="left">分区信息, 大部分由master决定</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">master</td> 
   <td align="left">分区的主分区</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">offset</td> 
   <td align="left">分区的偏移地址</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">index</td> 
   <td align="left">分区号 (3.0后不存在该字段)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">list</td> 
   <td align="left">将mtd_part链成一个链表mtd_partitons</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

mtd\_part的主要数据结构

mtd\_partition的主要数据结构

<table style="width:665px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">域</td> 
   <td align="left">作用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">name</td> 
   <td align="left">&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">size</td> 
   <td align="left">&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">offset</td> 
   <td align="left">&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">mask_flags</td> 
   <td align="left">&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">ecclayout</td> 
   <td align="left">&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">mtdp</td> 
   <td align="left">&nbsp;</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

map\_info的主要数据结构

<table style="width:665px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">域</td> 
   <td align="left">作用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">name</td> 
   <td align="left">名称</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">size</td> 
   <td align="left">大小</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">phys</td> 
   <td align="left">物理地址</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">bankwidth</td> 
   <td align="left">总线宽度(in octets)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">virt</td> 
   <td align="left">虚拟地址,通常通过ioremap将物理地址进行映射得到</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">read/copy_from/write/copy_to</td> 
   <td align="left">读写函数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">map_priv_1/map_priv_2</td> 
   <td align="left">驱动可用的私有数据</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

nand\_chip的主要数据结构

<table style="width:665px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">域</td> 
   <td align="left">作用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">IO_ADDR_R/IO_ADDR_W</td> 
   <td align="left">读/写8根io线的地址</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">read_byte/read_word</td> 
   <td align="left">从芯片读一个字节/字</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">read_buf/write_buf</td> 
   <td align="left">读芯片读取内容至缓冲区/将缓冲区内容写入芯片</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">verify_buf</td> 
   <td align="left">&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">select_chip</td> 
   <td align="left">&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">block_bad</td> 
   <td align="left">检查是否坏块</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">block_markbad</td> 
   <td align="left">标识坏块</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">cmd_ctrl</td> 
   <td align="left">硬件相关控制函数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">init_size</td> 
   <td align="left">&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">dev_ready</td> 
   <td align="left">&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">cmdfunc</td> 
   <td align="left">命令处理函数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">waitfunc</td> 
   <td align="left">&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">erase_cmd</td> 
   <td align="left">擦除命令</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">scan_bbt</td> 
   <td align="left">扫描坏块</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">errstat</td> 
   <td align="left">&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">write_page</td> 
   <td align="left">&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">options</td> 
   <td align="left">与具体的NAND 芯片相关的选项, 如NAND_USE_FLASH_BBT等(nand.h)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">page_shift</td> 
   <td align="left">&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">&nbsp;</td> 
   <td align="left">&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">ecclayout</td> 
   <td align="left">nand_ecclayout类型结构体, ECC布局信息</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">ecc</td> 
   <td align="left">nand_ecc_ctrl类型结构体, ECC控制结构</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

nand\_ecclayout的主要数据结构

<table style="width:665px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">域</td> 
   <td align="left">作用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">eccbytes</td> 
   <td align="left">ecc的字节数(For 512B-per-page, eccbytes is 3)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">eccpos</td> 
   <td align="left">ecc数据在oob中的位置</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">oobavail</td> 
   <td align="left">oob中可用的字节数, MTD 会根据其它三个变量自动计算得到</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">oobfree</td> 
   <td align="left">nand_oobfree类型结构体, 显示定义空闲的oob 字节</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 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][NAND]  
　　**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。

[14224259-e229cbe237674bccaea72057d6f111d0.jpg]: /images/20220331/7b771adafd4c42c1937d1e3c5f189491.png
[14224325-d752ed34b8cb471c90b31cf114c6a38a.png]: /images/20220331/2da66e0df7814dd1a3bbb695be6ee55b.png
[NAND]: http://blog.sina.com.cn/s/blog_a2e8f52501017dkt.html