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Linux 之 MTD 子系统框架

news 来源：原创 2025/5/23 7:18:42

一、MTD 简介

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。

二、MTD 在内核中的框架

MTD的所有源码位于/drivers/mtd子目录下：

2.1 flash 硬件层

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/spi-nor:   nor flash底层驱动

2.2 MTD原始设备层

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。 

      MTD原始设备层由两部分构成，一部分是MTD原始设备的通用代码，另一部分是各个特定Flash的数据，比如分区。

主要构成的文件有：

mtdcore.c :  MTD原始设备接口相关实现 
mtdpart.c :  MTD分区接口相关实现

 用于描述  MTD原始设备的数据结构是mtd_info，这其中定义了大量的关于MTD的数据和操作函数。

  •         mtd_idr（mtdcore.c=>static  DEFINE_IDR(mtd_idr)）是所有MTD原始设备的列表，所有mtd设备通过i  =  idr_alloc(&mtd_idr,  mtd,  0,  0,  GFP_KERNEL)等类似操作与mtd_idr建立连接。
  •         mtd_part（mtdpart.c）是用于表示MTD原始设备分区的结构，其中包含了mtd_info，因为每一个分区都是被看成一个MTD原始设备加在mtd_idr中的，mtd_part.mtd中的大部分数据都从该分区的主分区mtd_part->master中获得（add_mtd_partitions）。
  •         在drivers/mtd/maps/子目录下存放的是特定的flash的数据，每一个文件都描述了一块板子上的flash。其中调用add_mtd_device()、del_mtd_device()建立/删除mtd_info结构，并将其加入/删除mtd_idr（或者调用add_mtd_partition()、del_mtd_partition()（mtdpart.c）建立/删除mtd_part结构并将mtd_part.mtd_info加入/删除mtd_idr  中）。

2.3 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

  •  MTD字符设备的定义在mtdchar.c中实现，注册一系列file  operation函数（lseek、open、close、read、write）。
  •  MTD块设备的定义在mtdblock.c（其调用mtd_blkdevs.c的函数），在mtd_blkdevs.c=>  add_mtd_blktrans_dev函数中，以mtd_blkdevs.c=>  block_device_operations  mtd_block_ops为ops，以mtdblock.c=>mtd_blktrans_ops  mtdblock_tr的.name和.major注册块设备、生成块设备节点。
     

2.4 MTD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），/dev/mtdN是字符设备节点，/dev/mtdblockN是块设备节点。
　　通过访问此设备节点即可访问MTD字符设备和块设备 

/dev/mtdN和/dev/mtdblockN的关系和区别：

1.它们是对同一分区的不同的描述方法

2.生成节点的方法
        字符节点是mtdchar.c注册生成的，支持open,read,write,ioctl等。flash_erase,  nanddump等都是对字符节点，通过read,write,ioctl等执行。见分层调用流程
        块设备节点对应mtdblock.c和mtd_blkdevs.c，是Flash驱动中用add_mtd_partitions()添加MTD设备分区，而生成的对应的块设备。
        MTD块设备驱动程序可以让flash器件伪装成块设备，实际上它通过把整块的erase  block放到ram里面进行访问，然后再更新到flash，用户可以在这个块设备上创建通常的文件系统。
        对于MTD块设备，MTD设备层是不提供ioctl的实现方法的，不能使用nandwrite,flash_eraseall,flash_erase等工具去对/dev/mtdblockN去进行操作。

3.mtd-utils工具只能用与/dev/mtdN的MTD字符设备。mount、umount命令只对/dev/mtdblockN的MTD块设备有效。

2.5 文件系统

  •  在Bootloader中将JFFS（或JFFS2）的文件系统映像jffs.image（或jffs2.img）烧到flash的某一个分区中，在/arch/arm/mach-your/arch.c文件的your_fixup函数中将该分区作为根文件系统挂载。
  •  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。

三、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 

四、MTD相关层实现

4.1 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。

4.2 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_ident()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 。

五、spi-nor flash 的注册与发现

5.1  nor flash 先在内核驱动声明

源码路径：drivers/mtd/spi-nor/micron-st.c

会有很多厂家的nor-flash 产品。

5.2 spi-nor 的核心层，会自动probe 上面的表格

源码路径：drivers/mtd/spi-nor/core.c

执行 spi_nor_probe 函数：

接着执行 spi_nor_scan 函数：

执行 spi_nor_get_flash_info 函数：

上面的函数， 先是spi_nor_mach_id()匹配 name,即在设备树中声明的flash,如果在flash_info 表中，查找不到；

再接着调用 spi_nor_read_id()函数 读取物理上连接 的flash id.

接着调用 spi_nor_read_id（）：

读取到ID后， 和manufactures[] 表进行匹配。下面看一下这个表：

这个厂家表，就包含 了spi_nor_st 刚开始声明的 flash_info 表。

最后在 probe 函数中， 调用 mtd_device_register（）注册进mtd 层。

5.3 spi-nor flash 的默认写读擦除的函数接口是什么时候注册的？

在 spi_nor_probe 调到 spi_nor_scan 函数中， 初始化了这些函数接口。

如下：spi_nor_scan（）

那么举一个具体的函数：spi_nor_write（）->spi_nor_write_data() ->nor->controller_ops->write(), 就调用到 spi 控制器的write 函数。

六、SPI 控制器的注册和驱动

spi 控制器的源码路径：

drivers/spi/* 

spi  probe 会注册spi 控制器的发送接受数据的函数。内核代码中有2种方式：

1、中断

2、轮询

6.1 中断方式

6.2 轮询方式

代码中有一个隐晦的地方，其实是有2个轮询的代码。

第一个：dw_spi_poll_transfer（）函数

这个比较明显。

第二个：dw_spi_exec_mem_op（）函数

实际按照大小轮询的函数： dw_spi_write_then_read（）。还需注意一点， 在执行dw_spi_write_then_read（）前是禁中段和禁抢占的。

看dw_spi_write_then_read（）：

上面就是根据len , 读取数据。

七、deepseek 写的 从mtd 层spi 控制器的调用

1、write(fd, data, size);  // 用户空间调用

2. VFS (虚拟文件系统) 层

  1. 系统调用入口：

    • SYSCALL_DEFINE3(write, ...) (在 fs/read_write.c)

    • 调用 ksys_write()

    • 调用 vfs_write()

  2. 文件操作路由：

    • 通过 file->f_op->write_iter 或 file->f_op->write

    • MTD 字符设备注册的是 mtdchar_write()

3. MTD 字符设备层 (drivers/mtd/mtdchar.c)

static ssize_t mtdchar_write(struct file *file, const char __user *buf,
                size_t count, loff_t *ppos)
{
    struct mtd_info *mtd = file->private_data;
    // ...
    ret = mtd_write(mtd, *ppos, count, &retlen, kbuf);
    // ...
}

4. MTD 核心层 (drivers/mtd/mtdcore.c)

int mtd_write(struct mtd_info *mtd, loff_t to, size_t len, size_t *retlen,
              const u_char *buf)
{
    // 参数检查
    // 调用具体设备的写入函数
    ret = mtd->_write(mtd, to, len, retlen, buf);
}

5. SPI NOR Flash 驱动层 (drivers/mtd/spi-nor/)

对于 SPI NOR Flash，mtd->_write 指向 spi_nor_write():

static int spi_nor_write(struct mtd_info *mtd, loff_t to, size_t len,
            size_t *retlen, const u_char *buf)
{
    // 转换为 SPI NOR 结构体
    struct spi_nor *nor = mtd_to_spi_nor(mtd);

    // 执行写操作
    ret = nor->write(nor, to, len, buf);
    // ...
}

实际的 nor->write 通常是 spi_nor_write_std():

static int spi_nor_write_std(struct spi_nor *nor, loff_t to, size_t len,
               const u_char *buf)
{
    // 发送写使能命令
    spi_nor_write_enable(nor);

    // 准备页编程命令
    nor->program_opcode = SPINOR_OP_PP;

    // 通过SPI子系统执行传输
    ret = spi_nor_write_data(nor, to, len, buf);
}

6. SPI 子系统 (drivers/spi/spi.c)

spi_nor_write_data() 最终会调用 SPI 子系统的接口：

static int spi_nor_write_data(struct spi_nor *nor, loff_t to, size_t len,
                const u_char *buf)
{
    // 准备SPI消息
    struct spi_mem_op op = SPI_MEM_OP(...);

    // 执行SPI传输
    ret = spi_mem_exec_op(nor->spimem, &op);
}

spi_mem_exec_op() 的调用链：

spi_mem_exec_op()
→ spi_mem_access_start()
→ ctlr->mem_ops->exec_op()  // 控制器特定的实现

7. SPI 控制器驱动 (如 drivers/spi/spi-bcm2835.c)

具体控制器的 exec_op 实现示例：

static int bcm2835_spi_exec_op(struct spi_mem *mem,
                  const struct spi_mem_op *op)
{
    // 配置SPI控制器寄存器
    bcm2835_wr(spi, BCM2835_SPI_CS, cs);
    bcm2835_wr(spi, BCM2835_SPI_DLEN, op->data.nbytes);

    // 写入数据到TX FIFO
    for (i = 0; i < op->data.nbytes; i++)
        bcm2835_wr(spi, BCM2835_SPI_FIFO, op->data.buf.in[i]);

    // 启动传输
    bcm2835_wr(spi, BCM2835_SPI_CS, cs | BCM2835_SPI_CS_TA);

    // 等待传输完成
    while (!(bcm2835_rd(spi, BCM2835_SPI_CS) & BCM2835_SPI_CS_DONE));

    // 读取状态等后续处理
}

8. 硬件寄存器操作

最终控制器驱动会通过读写寄存器操作硬件：

writel(value, spi->regs + offset);  // 写寄存器
readl(spi->regs + offset);          // 读寄存器

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