了解nandflash當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r

很久沒接觸過 nandflash 驅(qū)動了，最近工作又摸了一下，那就順便整理點筆記總結(jié)一下吧。nandflash 在我看來算是比較落后的存儲設(shè)備了，所以文章里沒有太多細(xì)節(jié)的東西，更多的是一些開發(fā)思路和經(jīng)驗，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，這些位通過電荷開啟或關(guān)閉。這些開/關(guān)單元的組織方式表示存儲在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 在每個單元中都包含一個位。MLC nandflash將每個單元的位數(shù)增加了一倍，而 TLC nandflash 則增加了三倍，這為更高容量的 nandflash 開辟了道路。

SLC 的優(yōu)點是速度最快，最耐用，但缺點是價格昂貴，并且無法提供更高的存儲容量。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，存儲容量更高，但要權(quán)衡相對較短的使用壽命和較慢的讀/寫速度。MLC 和 TLC 是日常消費計算機等個人用品的首選。

SLC MLC TLC nandflash 對照表：

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)特性來重新設(shè)計，過去并沒有哪個技術(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)，手機客戶也都要重新設(shè)計（重新設(shè)計什么？因為你要通訊，就需要通訊的電壓，時序，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)這些新的特性來花時間設(shè)計。soc這邊會有一個nandflash controller，你要根據(jù)采用的nandflash特性來配置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)都會推陳出新，存儲器問題也拖累手機新機種推出的速度，因此像eMMC這種把所有存儲器和管理nandflash的控制芯片都包在1顆MCP上的概念，逐漸風(fēng)行起來。即：

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

eMMC是NAND Flash+主控IC ，對外的接口協(xié)議與SD、TF卡類似；

emmc 內(nèi)部根本的存儲介質(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 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，來給 sdmmc controller 來選擇一個通訊的接口版本號4.4。

二、如何驅(qū)動一款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

nandflash 是一個存儲芯片，那么它應(yīng)該能提供“讀地址A的數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)B寫到地址A"的功能。

以Mini2440為例簡單說明一下：

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

問2：從NAND FLASH芯片手冊可知，要讀寫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?，也傳輸命令?br /> 當(dāng)ALE為高電平時傳輸?shù)氖堑刂罚?br /> 當(dāng)CLE為高電平時傳輸?shù)氖敲睿?br /> 當(dāng)ALE和CLE都為低電平時傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)；

問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，要訪問之必須"選中"(即片選信號為低)，沒有選中的芯片不會工作，相當(dāng)于沒接一樣。

問4：假設(shè)燒寫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的，怎么判斷燒寫完成？
通過狀態(tài)引腳RnB來判斷：它為高電平表示就緒，它為低電平表示正忙。

問5：怎么操作NAND FLASH呢？
答5. 根據(jù)NAND FLASH的芯片手冊，一般的過程是：
(1) 發(fā)出命令
(2) 發(fā)出地址
(3) 寫數(shù)據(jù)/讀數(shù)據(jù)
(4) 等待

(二) CPU nandflash 控制器章節(jié)導(dǎo)讀

以三星 s5pv210 芯片為例，摘選一下我認(rèn)為比較重要的點：

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

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

(三) nandflash 芯片手冊導(dǎo)讀

以鎂光 nandflash 芯片為例，摘選一下我認(rèn)為比較重要的點：

特性列表，一般位于芯片手冊首頁，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，但是可能會有1~2引腳是有差異，需要核對。

上圖可用于確定nandflash的存儲布局；

上圖可用于核對芯片的型號和詳細(xì)的硬件特性；

(四) nandflash 調(diào)試思路：

1. 通讀 CPU 芯片手冊 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 校驗功能的工作流程；

2. 通讀 nandflash 芯片手冊：
- 了解 nandflash 芯片的基本信息，例如ID、容量、類型(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，可能會有一兩根引腳有差異；

3. 在 U-boot 或者 Linux 下實現(xiàn)讀取 nandflash 芯片的ID值的功能：nand_read_id()
- U-boot 和 Linux哪個順手用哪個，U-boot的優(yōu)點是啟動快，做測試方便點，而 Linux的優(yōu)點是支持網(wǎng)絡(luò)/文件系統(tǒng)，功能強大；- 能讀到 ID 只能說明 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))，但是某些隱蔽的錯誤硬件連接仍然會導(dǎo)致寫數(shù)據(jù)異常；

4. 在 U-boot 或者 Linux 下實現(xiàn)讀取擦除 一塊數(shù)據(jù)的功能：nand_erase_block()
- 相比起讀寫數(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)一步驗證讀寫nandflash的功能。nandflash 數(shù)據(jù)塊被擦除后所有數(shù)據(jù)均為 0xFF，利用這個特性可以驗證稍后需要實現(xiàn)的讀一頁的操作是否正常；

5. 在 U-boot 或者 Linux 下實現(xiàn)裸讀一頁數(shù)據(jù)( 不考慮ecc校驗 )的功能：nand_read_page_raw()
- nandflash 的1頁包括 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校驗碼；- 一般說寫一頁數(shù)據(jù)時，需要結(jié)合上下文才能判斷是寫 main 區(qū)域還是寫 main + spare 區(qū)域；- nandflash 一般需要ecc 校驗功能來保證數(shù)據(jù)的安全，但是在前期調(diào)試階段，我們可以不考慮ecc 校驗直接實現(xiàn)裸讀一頁數(shù)據(jù)的功能。事實上，我們也無法考慮ecc 校驗的功能，因為到現(xiàn)在為止還不能寫數(shù)據(jù)到 nandflash的main區(qū)域，更別說寫 ecc 校驗碼到oob區(qū)域；- 我們需要先實現(xiàn)讀數(shù)據(jù)的功能，確保讀數(shù)據(jù)功能的可靠后，待會才能用其來驗證寫數(shù)據(jù)的操作；

6. 在 U-boot 或者 Linux 下實現(xiàn)裸寫一頁數(shù)據(jù)( 不考慮ecc校驗 )的功能；nand_write_page_raw()- 裸寫一頁和裸讀一頁的操作可以相互協(xié)同驗證；- uboot 的 cmp 命令可以對比兩塊內(nèi)存的數(shù)據(jù)是否相同，該命令可以用于驗證寫操作是否成功；

7. 在 U-boot 或者 Linux 下實現(xiàn)寫一頁數(shù)據(jù)到 main區(qū)域，并將 nandflash 控制器生成的 ecc 校驗碼填寫到oob區(qū)域：nand_write_page()
- 寫一頁數(shù)據(jù)到 main 區(qū)域時，nandflash 控制器會生成 ecc 校驗碼，這些校驗碼就是用來保護(hù)這一頁數(shù)據(jù)的；

8. 在 U-boot 或者 Linux 下實現(xiàn)讀一頁數(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 校驗碼：nand_read_page()
- 從nandflash spare 區(qū)域讀到的 ecc 校驗碼應(yīng)該發(fā)送給 nandflash 控制器，nandflash 控制器會幫我們計算好是否有bit 錯誤，并且將結(jié)果和糾錯需要用到的信息保存在寄存器中，軟件通過寄存器里的信息推導(dǎo)出正確的數(shù)據(jù)；

9. 由于bit 錯誤的問題不容易出現(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ecc 校驗功能是否正常，即數(shù)據(jù)是否能被糾正，大體的思路是：
- 通過 nand_write_page() 寫一頁正確的數(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 nand_write_page_raw() 將篡改后的數(shù)據(jù)填寫到 main 區(qū)域，spare 區(qū)域保持不變；- 通過nand_read_page 讀 一頁數(shù)據(jù)，如果能執(zhí)行糾錯相關(guān)的代碼，并且能獲取到被篡改之前的數(shù)據(jù)，則說明校驗功能是可以工作的；

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

(五) Linux Nand Flash驅(qū)動

參考：
《韋東山嵌入式Linux視頻第二期-nandflash》

Linux MTD stack

對于nandflash 驅(qū)動，需要重點關(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)動節(jié)點，上圖展示了 read("/dev/mtd0") 的底層實現(xiàn)(MTD layer->NAND core->Controller driver)。

NAND legacy stack 的弊端

無法執(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) 測試穩(wěn)定性和性能

MTD tests support

mtd_nandecctest.ko：nand flash的ECC校驗測試

mtd_pagetest.ko：nand flash的page讀寫測試

mtd_speedtest.ko：MTD分區(qū)的讀寫速度測試

mtd_subpagetest.ko：nand flash的sub-page接口測試

mtd_oobtest.ko：nand falsh的OOB區(qū)域讀寫測試

mtd_readtest.ko：讀取整個MTD分區(qū)

mtd_stresstest.ko：隨機讀寫，擦除操作測試

mtd_torturetest.ko：該功能可用于做穩(wěn)定性或者壽命測試，隨機操作直到發(fā)生錯誤

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] =================================================

一個反復(fù)讀寫并校驗數(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的全面對比》

針對 nandflash 特點優(yōu)化其性能以及克服其缺點

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

當(dāng)一個閃存處在干凈狀態(tài)時（被擦除過，但是還沒有寫操作發(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，具體來說，閃存的使用壽命是由擦除塊的最大可擦除次數(shù)來決定的。超過了最大可擦除次數(shù)，這個擦除塊就成為壞塊（bad block）了。因此要避免某個擦除塊被過度使用，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，使擦寫操作均勻分布在每個擦除塊上，叫做損耗均衡（wear leveling）。

YAFFS意為「Yet Another Flash File System」，是目前唯一一個專門為NAND Flash設(shè)計的文件系統(tǒng)。它采用了類日志結(jié)構(gòu)，結(jié)合NAND Flash的特點，提供了損耗平衡和掉電保護(hù)機制，可以有效地避免意外掉電對文件系統(tǒng)一致性和完整性的影響。

nanflash 和 YAFFS2之間是如何配合的？
通過分析mkyaffs2iamge.c可知：

yaffs2 映像文件是由一個個的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)個字節(jié)歸yaffs2自由使用，然后接下來的nand_oobinfo->eccbytes(104)個字節(jié)都填0xFF，即yaffs2 images本身是不含有ecc校驗碼的；（以上數(shù)值跟實際nandflash芯片相關(guān)）

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