基于SEP4O20的Linux NandFlash驱动设计

摘要：本文首先给出了NandFlash的硬件特点，分析了Linux MTD层(Memow Technology Device)的特性，基于东南大学国家ASIC中心自主设计的嵌入式微处理器芯片SEP4020，给出了Linux下NandFlash驱动的详细设计方案。实验结果表明，基于这种驱动方案的NandFlash能进行有效的文件管理和稳定、快速的读写功能，非常适合于嵌入式产品的应用。
关键词：NandFlash；Linux；SEP4020微处理器

0 引言
    NandFlash是一种非易失性的存储介质，它以极高的存储密度，快速的读写速度以及低廉的价格，成为在嵌入式领域应用极为广泛的存储介质。但同时NandFlash更大的存储容量以及更复杂的硬件接口也为软件的设计提出了更高的要求。为了有效地管理复杂的存储硬件以及提供更可靠高效的存储环境，文章给出了在嵌入式Linux下的NandFlash的驱动设计，利用嵌入式Linux系统的高效完善以及Linux MTD子系统的对存储介质的高度兼容，大大提高了NandFlash的使用效率，并降低了驱动开发的难度。
    本文以东南大学自主设计的东芯SEP4020微处理器的为基础，分析NandFlash的内部结构和Linux MTD层的框架，并基于这些研究提出了NandFlash驱动的设计和实现。

1 NandFlash的硬件特点
    NAND器件是基于I／O接口的，这点不同于NOR闪存，基于Bus的RAM接口。NAND芯片以页为单位读写，以块为单位擦除，通过多个引脚传送命令地址数据，使用较复杂的I／O接口来控制。以本文使用的东芝TC58512FT(64MNand)为例，分为4096块，每块有32页，每页有512B的数据区+16B的OOB(out of band)区。(4096×32×512B=64MB)，均通过8跟IOM线串行控制，如图l所示。

    同时由于工艺限制，NAND闪存中允许存在坏块。NAND闪存的每一页有16B(页长度512B)的OOB区用来存放ECC校验数据，ECC有效标志，坏块标志等。所有这些决定了于NAND的存储系统设计需要处理不同于其它类型闪存特有问题。

2 MTD的NAND结构
    Linux MTD层是Linux操作系统和存储介质之间的一个适配层。MTD是Linux的一个子集，用来作为具体的硬件设备驱动和上层文件系统的桥梁。MTD层有两个非常显著的优异点：

    (1)简化驱动的开发。设计基于MTD的驱动，所需要做的事情就是按照标准的公共接口函数的接口，根据微处理器NandFlash控制器的不同做适当的修改，而无需去理会字符(块)设备驱动设计标准，因为所有这些复杂的与内核的交互接口机制mtd已经做好了，开发行的精力只需要集中在实现对物理设备的范围控制。
    (2)NandFlash使用环境的独立性。上层应用只需要访问mtd抽象层提供的字符设备方式或者块设备方式来访问mtd设备，因此具体驱动对于上层应用来说是具有独立性的，即使底层驱动修改了，上层拥有也不需要改动。并且由于mtd抽象层，上层应用就可以避免直接对具体硬件操作，而是对mtd操作，这样，这些应用就不是建立在某个具体的设备上，更好地实现了通用性和兼容性。
    mtd抽象层用一个数组struct mtd_info*mtd_table[MAX_MTD_DEVICES]保存系统中所有的设备，mtd设备利用struct mtd_info这个结构来描述，该结构中描述了存储设备的基本信息和具体操作所需要的内核函数，mtd系统的那个机制主要就是围绕这个结构来实现的。
    下面简单介绍下这个结构：

3 基于SEP4020的NandFlash驱动的实现
    SEP4020由东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心设计，使用0．18μm标准CMOS的工艺设计，内嵌ARM720T内核，带8kB指令数据Cache和全功能MMU，采用冯诺依曼结构的微处理。支持NandFlash的硬件ecc和软件ecc，支持3级到5级地址，并提供512byte和2k bytes的页支持(本文以3级地址，一页为512byte为实现目标)。根据。NandFlash实际使用中大量操作均为对整页的处理，本文利用片内dma搬运技术，提高对NandFlash的读写速度。

3．1 NandFlash读函数的核心代码
    ／／读取数据，长度可能为528，512，16；但由于NandFlash的控制器只支持整页的读写和／／oob区的读，而这里发送的命令是读取数据，所以要整页读，数据长度为528。

3．2 NandFlash写函数的核心代码
    由于NandFlash本身只支持整页的写，而不支持直接对oob区的写操作，而MTD上层需要对oob区进行一系列的操作，因此在对oob进行操作时需要先读取该页数据区，并将上层传送的oob区数据一起组成一整页，然后才能写入NandFlash。

4 结束语
    本文以NandFlash芯片的特点入手，分析了LinuxMTD层架构及优点，给出了基于SEP4020微处理器的NandFlash驱动设计，并利用SEP4020内置的dma技术，提高了对NandFlash的读写速度。根据实验表明，本文实现的NandFlash驱动提供的平均读写速度稳定在250kB／s，这样的速度在一般的嵌入式应用中已经足够。