关于NAND Flash调试的一点总结
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| V1 | 2020 | 韋東山 | 技術(shù)文檔 |
很久沒(méi)接觸過(guò) nandflash 驅(qū)動(dòng)，最近工作又摸了，于是順便整理總結(jié)一下。nandflash 在我看來(lái)算是比較落后的存儲(chǔ)設(shè)備，所以文章里沒(méi)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(yàn)，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(guò)電荷開啟或關(guān)閉。這些開/關(guān)單元的組織方式表示存儲(chǔ)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(gè)單元中都包含一個(gè)位。MLC nandflash將每個(gè)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(diǎn)是速度最快，最耐用，但缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，并且無(wú)法提供更高的存儲(chǔ)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(chǔ)容量更高，但要權(quán)衡相對(duì)較短的使用壽命和較慢的讀/寫速度。MLC 和 TLC 是日常消費(fèi)計(jì)算機(jī)等個(gè)人用品的首選。
SLC \ MLC \ TLC nandflash 對(duì)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(lái)重新設(shè)計(jì)，過(guò)去并沒(méi)有哪個(gè)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(jī)客戶也都要重新設(shè)計(jì)（重新設(shè)計(jì)什么？因?yàn)槟阋ㄓ?#xff0c;就需要通訊的電壓，時(shí)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(jī)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(lái)花時(shí)間設(shè)計(jì)。soc這邊會(huì)有一個(gè)nandflash controller，你要根據(jù)采用的nandflash特性來(lái)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(huì)推陳出新，存儲(chǔ)器問(wèn)題也拖累手機(jī)新機(jī)種推出的速度，因此像eMMC這種把所有存儲(chǔ)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(lái)。即：
NAND Flash 是一種存儲(chǔ)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(jì)；
eMMC是NAND Flash+主控IC ，對(duì)外的接口協(xié)議與SD、TF卡類似；
emmc 內(nèi)部根本的存儲(chǔ)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(gè) 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(hào)，來(lái)給 sdmmc controller 來(lái)選擇一個(gè)通訊的接口版本號(hào)4.4。
二、如何驅(qū)動(dòng)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(shí)
nandflash 是一個(gè)存儲(chǔ)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(jiǎn)單說(shuō)明一下：
問(wèn)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?#xff1f;
答1．在DATA0～DATA7上既傳輸數(shù)據(jù)，又傳輸?shù)刂?#xff0c;當(dāng)ALE為高電平時(shí)傳輸?shù)氖堑刂贰?/p>
問(wèn)2：從NAND FLASH芯片手冊(cè)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?#xff0c;也傳輸命令；
答2：
當(dāng)ALE為高電平時(shí)傳輸?shù)氖堑刂?#xff1b;
當(dāng)CLE為高電平時(shí)傳輸?shù)氖敲?#xff1b;
當(dāng)ALE和CLE都為低電平時(shí)傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)；
問(wèn)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(gè)地址發(fā)到正確的芯片上而不干擾其他芯片呢？
答3：這些芯片，要訪問(wèn)之必須"選中"(即片選信號(hào)為低)，沒(méi)有選中的芯片不會(huì)工作，相當(dāng)于沒(méi)接一樣。
問(wèn)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？
答4：通過(guò)狀態(tài)引腳RnB來(lái)判斷：它為高電平表示就緒，它為低電平表示正忙。
問(wèn)5：怎么操作NAND FLASH呢？
答5. 根據(jù)NAND FLASH的芯片手冊(cè)，一般的過(guò)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(diǎn)：
SLC nandflash一般是1bit ecc，對(duì)應(yīng)的編解碼的過(guò)程需閱讀上述內(nèi)容。
MLC nandflash 一般是8/12/16 bit ecc，對(duì)應(yīng)的編解碼的過(guò)程需閱讀上述內(nèi)容。
(三) nandflash 芯片手冊(cè)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(diǎn)：
特性列表，一般位于芯片手冊(cè)首頁(yè)，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(huì)有1~2引腳是有差異，需要核對(duì)。
上圖可用于確定nandflash的存儲(chǔ)布局；
上圖可用于核對(duì)芯片的型號(hào)和詳細(xì)的硬件特性；
(四) nandflash 調(diào)試思路：
1.通讀 CPU 芯片手冊(cè) 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(yàn)功能的工作流程；
2.通讀 nandflash 芯片手冊(cè)：
- 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(huì)有一兩根引腳有差異；
3.在 U-boot 或者 Linux 下實(shí)現(xiàn)讀取 nandflash 芯片的ID值的功能：nand_read_id()
- U-boot 和 Linux哪個(gè)順手用哪個(gè)，U-boot的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)快，做測(cè)試方便點(diǎn)，而 Linux的優(yōu)點(diǎn)是支持網(wǎng)絡(luò)/文件系統(tǒng)，功能強(qiáng)大；- 能讀到 ID 只能說(shuō)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(cuò)誤硬件連接仍然會(huì)導(dǎo)致寫數(shù)據(jù)異常；
4.在 U-boot 或者 Linux 下實(shí)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(yàn)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(gè)特性可以驗(yàn)證稍后需要實(shí)現(xiàn)的讀一頁(yè)的操作是否正常；
5.在 U-boot 或者 Linux 下實(shí)現(xiàn)裸讀一頁(yè)數(shù)據(jù)( 不考慮ecc校驗(yàn) )的功能：nand_read_page_raw()
- nandflash 的1頁(yè)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(yàn)碼；- 一般說(shuō)寫一頁(yè)數(shù)據(jù)時(shí)，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(yàn)功能來(lái)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(yàn)直接實(shí)現(xiàn)裸讀一頁(yè)數(shù)據(jù)的功能。事實(shí)上，我們也無(wú)法考慮ecc 校驗(yàn)的功能，因?yàn)榈浆F(xiàn)在為止還不能寫數(shù)據(jù)到 nandflash的main區(qū)域，更別說(shuō)寫 ecc 校驗(yàn)碼到oob區(qū)域；- 我們需要先實(shí)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(huì)才能用其來(lái)驗(yàn)證寫數(shù)據(jù)的操作；
6.在 U-boot 或者 Linux 下實(shí)現(xiàn)裸寫一頁(yè)數(shù)據(jù)( 不考慮ecc校驗(yàn) )的功能；nand_write_page_raw()- 裸寫一頁(yè)和裸讀一頁(yè)的操作可以相互協(xié)同驗(yàn)證；- uboot 的 cmp 命令可以對(duì)比兩塊內(nèi)存的數(shù)據(jù)是否相同，該命令可以用于驗(yàn)證寫操作是否成功；
7.在 U-boot 或者 Linux 下實(shí)現(xiàn)寫一頁(yè)數(shù)據(jù)到 main區(qū)域，并將 nandflash 控制器生成的 ecc 校驗(yàn)碼填寫到oob區(qū)域：nand_write_page()
- 寫一頁(yè)數(shù)據(jù)到 main 區(qū)域時(shí)，nandflash 控制器會(huì)生成 ecc 校驗(yàn)碼，這些校驗(yàn)碼就是用來(lái)保護(hù)這一頁(yè)數(shù)據(jù)的；
8.在 U-boot 或者 Linux 下實(shí)現(xiàn)讀一頁(yè)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(yàn)碼：nand_read_page()
- 從nandflash spare 區(qū)域讀到的 ecc 校驗(yàn)碼應(yīng)該發(fā)送給 nandflash 控制器，nandflash 控制器會(huì)幫我們計(jì)算好是否有bit 錯(cuò)誤，并且將結(jié)果和糾錯(cuò)需要用到的信息保存在寄存器中，軟件通過(guò)寄存器里的信息推導(dǎo)出正確的數(shù)據(jù)；
9.由于bit 錯(cuò)誤的問(wèn)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(yàn)ecc 校驗(yàn)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(guò) nand_write_page() 寫一頁(yè)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(guò) 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(guò)nand_read_page 讀 一頁(yè)數(shù)據(jù)，如果能執(zhí)行糾錯(cuò)相關(guān)的代碼，并且能獲取到被篡改之前的數(shù)據(jù)，則說(shuō)明校驗(yàn)功能是可以工作的；
10.如果 main 區(qū)域的 ecc 校驗(yàn)碼字節(jié)數(shù)比較多，并且 spare 區(qū)域足夠大的話，可以對(duì)存放在 spare 區(qū)域里的 main ecc校驗(yàn)碼進(jìn)行二次 ecc，這時(shí)生成的 ecc 校驗(yàn)碼我將其稱為 spare ecc，它一般會(huì)存放在spare區(qū)域的末尾，并不是必須的；
(五) Linux Nand Flash驅(qū)動(dòng)
參考：
《韋東山嵌入式Linux視頻第二期-nandflash》
Linux MTD stack
對(duì)于nandflash 驅(qū)動(dòng)，需要重點(diǎn)關(guān)注的地方：
Flash memory abstraction layer/MTD layer drivers/mtd/mtd*.c Flash type abstration layer/NAND core drivers/mtd/nand/nand_*.c Flash controller drivers drivers/mtd/nand/*_nand.cNAND legacy stack( Linux-4.16 之前)
/dev/mtd0是nandflash設(shè)備的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，上圖展示了 read("/dev/mtd0") 的底層實(shí)現(xiàn)(MTD layer->NAND core->Controller driver)。
NAND legacy stack 的弊端
- 無(wú)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(shí)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(cè)試穩(wěn)定性和性能
MTD tests support
- mtd_nandecctest.ko：nand flash的ECC校驗(yàn)測(cè)試
- mtd_pagetest.ko：nand flash的page讀寫測(cè)試
- mtd_speedtest.ko：MTD分區(qū)的讀寫速度測(cè)試
- mtd_subpagetest.ko：nand flash的sub-page接口測(cè)試
- mtd_oobtest.ko：nand falsh的OOB區(qū)域讀寫測(cè)試
- mtd_readtest.ko：讀取整個(gè)MTD分區(qū)
- mtd_stresstest.ko：隨機(jī)讀寫，擦除操作測(cè)試
- mtd_torturetest.ko：該功能可用于做穩(wěn)定性或者壽命測(cè)試，隨機(jī)操作直到發(fā)生錯(cuò)誤
示例如下：
一個(gè)反復(fù)讀寫并校驗(yàn)數(shù)據(jù)正確性的小腳本：
#!/bin/shrm -rf /media/local/ count=1 while [ ${count} -lt 600 ]; doTSTAMP="`date` | ---> ${count}"echo "$TSTAMP"mkdir -p /mediatime cp /usr/local /media/ -rafdiff /usr/local /media/local -r || exit -1rm -rf /media/local;synclet 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(duì)比》
針對(duì) nandflash 特點(diǎn)優(yōu)化其性能以及克服其缺點(diǎn)
1.nanflash 不是通常意義上的塊設(shè)備，塊設(shè)備的特點(diǎn)是可以對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行讀、寫操作（如磁盤，文件系統(tǒng)等），但是對(duì)于nanflash 來(lái)說(shuō)有三種操作分別是：讀、寫、擦除。只有對(duì)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(duì)其進(jìn)行特殊處理；
2.當(dāng)一個(gè)閃存處在干凈狀態(tài)時(shí)（被擦除過(guò)，但是還沒(méi)有寫操作發(fā)生），這塊flash上的每一位（bit）都是邏輯1；
3.閃存的使用壽命是有限的，具體來(lái)說(shuō)，閃存的使用壽命是由擦除塊的最大可擦除次數(shù)來(lái)決定的。超過(guò)了最大可擦除次數(shù)，這個(gè)擦除塊就成為壞塊（bad block）了。因此要避免某個(gè)擦除塊被過(guò)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(gè)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(gè)專門為NAND Flash設(shè)計(jì)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(diǎn)，提供了損耗平衡和掉電保護(hù)機(jī)制，可以有效地避免意外掉電對(duì)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(guò)分析mkyaffs2iamge.c可知：
- yaffs2 映像文件是由一個(gè)個(gè)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(gè)字節(jié)歸yaffs2自由使用，然后接下來(lái)的nand_oobinfo->eccbytes(104)個(gè)字節(jié)都填0xFF，即yaffs2 images本身是不含有ecc校驗(yàn)碼的；（以上數(shù)值跟實(shí)際nandflash芯片相關(guān)）
更多細(xì)節(jié)：
how-yaffs-works[1]
參考資料
[1]
YAFF2官網(wǎng): https://yaffs.net/documents/how-yaffs-works
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的关于NAND Flash调试的一点总结的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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