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Linux NAND闪存存储系统全面解析：从原理到实践

news 2025/11/7 8:08:45

Linux NAND闪存存储系统全面解析：从原理到实践

1 NAND闪存硬件特性概述

NAND闪存作为一种非易失性存储介质，以其高存储密度、相对快速的读写速度和低廉的价格，已经成为嵌入式系统和固态存储设备的首选存储方案。与NOR闪存相比，NAND在单元密度和成本效益方面具有明显优势，这使得它特别适合大容量数据存储应用。然而，NAND闪存也带来了一系列独特的技术挑战，包括有限的擦写次数、位反转错误和坏块存在等问题。

从物理结构来看，NAND闪存组织为一个层次化的阵列结构。传统的2D NAND闪存中，基本存储单元按二维网格排列，而现代3D NAND则采用垂直堆叠结构，像摩天大楼一样在垂直方向构建存储单元格，极大地提高了存储密度。3D NAND通过64-96层的堆叠结构，使得单个Die的容量可以超过1TB，同时在一定程度上解决了2D NAND在制程缩小过程中遇到的可靠性和性能问题。

NAND闪存的硬件接口也与其他存储介质显著不同。它基于I/O接口而非NOR闪存的那种RAM接口，通过一组相对复杂的I/O引脚串行地传输命令、地址和数据。这种接口设计虽然减少了引脚数量，但增加了控制逻辑的复杂性。关键控制信号包括CLE（命令锁存使能）、ALE（地址锁存使能）、nCE（芯片使能）、nWE（写使能）、**nRE（读使能）和RnB（就绪/忙状态指示）**等。这些信号的协调配合实现了对NAND芯片的各种操作。

表：NAND闪存与其他存储技术的对比

特性NAND闪存NOR闪存DRAM3D XPoint
非易失性是是否是
读取速度中等快很快介于DRAM和NAND之间
写入速度中等（需要先擦除）慢（需要先擦除）很快很快（接近DRAM）
擦除操作块为单位块为单位不需要字节级别
接口类型I/O接口并行总线并行总线多种接口
存储密度高低中等高于DRAM
成本/比特低高高中等

NAND闪存的基本操作单位具有层次性：页(Page) 是读写操作的基本单位，典型大小有2KB、4KB、8KB或16KB；块(Block) 是擦除操作的基本单位，通常由64-256个页组成；而平面(Plane) 和Die/LUN 则提供了更高级的并行操作能力。这种操作单位的差异导致NAND闪存无法像传统RAM那样实现字节级别的随机访问，而是需要遵循特定的读写和擦除模式。

另一个NAND闪存的重要特性是有限的寿命，这源于浮栅晶体管中氧化层的逐渐损耗。每个NAND块通常只能承受约103-105次擦写循环（取决于SLC、MLC、TLC或QLC等不同类型），之后就可能变得不可靠甚至完全失效。此外，NAND闪存在读取过程中可能发生位反转错误，即存储的数据位自发翻转，这需要通过ECC（错误校正码） 进行检测和纠正。

2 Linux MTD子系统概述

Linux内核中的MTD（Memory Technology Device，存储技术设备） 子系统是专门为管理各种非易失性存储设备（如NAND闪存、NOR闪存等）而设计的软件抽象层。MTD的主要目标是简化存储设备驱动开发，并在硬件驱动和上层文件系统之间提供统一的接口。与传统的块设备不同，MTD专门针对闪存特性设计，能够更好地处理闪存设备的独特要求，如擦除操作、坏块管理和磨损均衡等。

MTD子系统的设计哲学是基于层次化模型，每一层都有明确的职责和接口定义。这种分层架构使得硬件驱动开发者、文件系统开发者和应用程序开发者可以专注于各自的领域，而无需了解整个存储栈的复杂细节。MTD系统最显著的优点之一是它屏蔽了不同种类和厂商闪存的硬件差异，为上层的文件系统提供了统一的访问接口。无论是NAND还是OneNAND，无论是哪个厂商的产品，只要实现了对应的MTD驱动，上层文件系统就可以无缝工作。

MTD子系统在Linux内核中的代码主要位于/drivers/mtd目录中，包含以下几个重要子目录：

  • chips：包含一些早期NOR闪存驱动的代码
  • devices：包含预定义的MTD设备
  • maps：包含特定板级的MTD映射驱动
  • nand：包含NAND闪存通用驱动和硬件驱动
  • onenand：包含三星OneNAND闪存的驱动
  • ubi：包含UBI（Unsorted Block Images）子系统的实现

与传统的块设备相比，MTD设备提供了更为直接的闪存访问接口。如下图所示，MTD子系统为上层应用提供了字符设备和块设备两种访问方式，但更重要的是，它提供了专门针对闪存的原始访问接口，这些接口充分考虑到了闪存的物理特性。

应用程序/文件系统
MTD字符设备接口
MTD块设备接口
MTD原始设备接口
MTD原始设备层
MTD块设备层
NAND通用驱动层
NOR通用驱动层
具体NAND硬件驱动
具体NOR硬件驱动
物理NAND闪存
物理NOR闪存

图：MTD子系统层次结构图

MTD设备在Linux中通过struct mtd_info结构体描述，这个结构体是MTD子系统的核心数据结构，包含了设备的所有属性和操作函数指针。重要字段包括：

  • size：MTD设备的总大小
  • erasesize：擦除块大小
  • writesize：写入页大小
  • oobsize：OOB（Out-of-Band）区大小
  • _read、_write、_erase等操作函数指针

每个MTD分区在/dev目录下都会对应两个设备节点：字符设备节点(/dev/mtdX)和块设备节点(/dev/mtdblockX)。字符设备允许直接对闪存进行原始访问，包括读写页数据和OOB数据；而块设备则将MTD设备模拟成传统的块设备，便于使用常规的文件系统。

MTD与传统块设备的关键区别在于其对闪存特性的原生支持：

  1. 擦除操作：MTD设备需要先擦除再写入，而块设备可以直接覆盖写入
  2. 坏块管理：MTD子系统提供了坏块识别和处理的机制
  3. 磨损均衡：MTD层或基于MTD的文件系统可以实现磨损均衡算法，延长闪存寿命
  4. ECC支持：MTD提供了对错误检测和校正的原生支持
  5. OOB区域利用：MTD可以高效利用NAND闪存中额外的OOB区域

MTD子系统支持多种专门为闪存设计的文件系统，如JFFS2、YAFFS2和UBIFS等。这些文件系统能够更好地处理闪存的特有问题，如磨损均衡、坏块管理和掉电安全等。特别是UBIFS，它构建在UBI层之上，提供了更好的可扩展性和性能，适用于大容量NAND闪存设备。

3 NAND驱动代码框架深度剖析

3.1 驱动架构与组件关系

Linux内核中NAND驱动的实现采用了分层架构，将通用功能与硬件特定功能分离，这种设计极大地提高了驱动的可维护性和可移植性。NAND驱动代码主要位于/drivers/mtd/nand目录中，由多个文件协同工作，共同实现NAND闪存的控制和管理。

核心文件包括：

  • nand_base.c：提供了NAND设备操作的基础函数，如读写页、擦除块、检查坏块等
  • nand_bbt.c：实现了坏块表(Bad Block Table, BBT)的管理机制
  • nand_ids.c：包含了已支持的NAND芯片厂商和设备ID的数据库
  • nand_ecc.c：提供了软件ECC（错误校正码）的实现
  • nandsim.c：实现了一个NAND设备模拟器，用于测试和调试

NAND驱动与Linux内核其他组件的关系可以通过以下图表展示：

用户空间
文件系统
JFFS2, UBIFS等
VFS虚拟文件系统层
MTD块设备层
/dev/mtdblockX
MTD字符设备层
/dev/mtdX
MTD原始设备层
NAND通用驱动层
具体NAND硬件驱动
NAND闪存控制器
物理NAND芯片

图：NAND驱动在Linux内核中的架构层次

3.2 核心数据结构与关系

NAND驱动的核心是nand_chip结构体（定义在include/linux/mtd/rawnand.h），这个结构体描述了NAND芯片的硬件特性和操作函数指针。重要字段包括：

struct nand_chip {// 基础NAND操作函数int (*read_byte)(struct nand_chip *chip);void (*write_byte)(struct nand_chip *chip, uint8_t byte);int (*read_buf)(struct nand_chip *chip, uint8_t *buf, int len);void (*write_buf)(struct nand_chip *chip, const uint8_t *buf, int len);// 命令和地址控制void (*cmd_ctrl)(struct nand_chip *chip, int dat, unsigned int ctrl);// 设备就绪检查int (*dev_ready)(struct nand_chip *chip);// ECC控制struct nand_ecc_ctrl ecc;// NAND芯片参数struct nand_memory_organization organization;unsigned int options;// I/O缓冲区uint8_t *oob_poi;uint8_t *data_buf;// 坏块管理int (*block_bad)(struct nand_chip *chip, loff_t ofs);int (*block_markbad)(struct nand_chip *chip, loff_t ofs);
};

MTD信息与NAND芯片信息的关系通过struct mtd_info中的nand_chip指针字段建立。这种设计使得MTD层可以调用NAND层的具体实现，同时保持硬件无关性。

另一个关键数据结构是nand_flash_dev，它用于存储已知NAND设备的特征参数：

struct nand_flash_dev {char *name;uint8_t id;unsigned int pagesize;unsigned int chipsize;unsigned int erasesize;unsigned int options;
};

这些数据结构之间的关系如下图所示：

priv指针
ecc成员
mtd_info
+u64 size
+u32 erasesize
+u32 writesize
+u32 oobsize
+struct nand_chip *priv
+int(*_read)(struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf)
+int(*_write)(struct mtd_info *mtd, loff_t to, size_t len, size_t *retlen, const u_char *buf)
+int(*_erase)(struct mtd_info *mtd, struct erase_info *instr)
nand_chip
+struct nand_ecc_ctrl ecc
+struct nand_memory_organization organization
+uint8_t *oob_poi
+uint8_t *data_buf
+int(*read_byte)(struct nand_chip*)
+void(*write_byte)(struct nand_chip*, uint8_t)
+int(*read_buf)(struct nand_chip*, uint8_t*, int)
+void(*write_buf)(struct nand_chip*, const uint8_t*, int)
+void(*cmd_ctrl)(struct nand_chip*, int, unsigned int)
+int(*dev_ready)(struct nand_chip*)
nand_ecc_ctrl
+int steps
+int bytes
+int total
+int(*calculate)(struct nand_chip*, const uint8_t*, uint8_t*)
+int(*correct)(struct nand_chip*, uint8_t*, uint8_t*, uint8_t*)

图：NAND驱动核心数据结构关系图

3.3 驱动初始化流程

NAND驱动的初始化是一个多阶段的过程，涉及设备探测、识别、参数设置和注册等步骤。典型的初始化流程如下：

  1. 平台设备注册：在平台代码中定义NAND控制器的资源（地址范围、中断等）并注册平台设备
  2. 驱动探测：实现platform_driver的probe函数，在匹配到设备时被调用
  3. NAND控制器初始化：配置NAND控制器的时序参数和操作模式
  4. NAND扫描：调用nand_scan()函数自动识别NAND芯片并设置适当参数
  5. 分区表解析：解析内核命令行或设备树中的分区信息
  6. MTD设备注册：将每个分区注册为独立的MTD设备

以典型的ARM SoC为例，其NAND控制器初始化代码可能如下所示：

static int s3c_nand_probe(struct platform_device *pdev)
{struct s3c_nand_info *info;struct mtd_info *mtd;struct nand_chip *nand;int ret;// 分配内存info = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*info), GFP_KERNEL);if (!info)return -ENOMEM;// 映射IO地址info->regs = devm_platform_ioremap_resource(pdev, 0);if (IS_ERR(info->regs))return PTR_ERR(info->regs);// 获取时钟info->clk = devm_clk_get(&pdev->dev, "nand");if (IS_ERR(info->clk))return PTR_ERR(info->clk);// 初始化nand_chip结构nand = &info->chip;mtd = nand_to_mtd(nand);// 设置NAND操作函数nand->read_byte = s3c_nand_read_byte;nand->write_byte = s3c_nand_write_byte;nand->read_buf = s3c_nand_read_buf;nand->write_buf = s3c_nand_write_buf;nand->cmd_ctrl = s3c_nand_cmd_ctrl;nand->dev_ready = s3c_nand_dev_ready;// 配置硬件ECCnand->ecc.mode = NAND_ECC_HW;nand->ecc.calculate = s3c_nand_calculate_ecc;nand->ecc.correct = s3c_nand_correct_data;nand->ecc.hwctl = s3c_nand_enable_hwecc;// 设置NAND控制器时序writel(relo_tacls, info->regs + S3C_TACLS);writel(relo_twrph0, info->regs + S3C_TWRPH0);writel(relo_twrph1, info->regs + S3C_TWRPH1);// 扫描NAND设备ret = nand_scan(nand, 1);if (ret)return ret;// 添加MTD设备ret = mtd_device_register(mtd, NULL, 0);if (ret) {nand_release(nand);return ret;}platform_set_drvdata(pdev, info);return 0;
}

NAND扫描过程是初始化的关键环节，nand_scan()函数会执行以下操作：

  1. 发送READID命令读取NAND芯片的厂商ID和设备ID
  2. 在nand_flash_ids[]数组中查找匹配的NAND设备参数
  3. 根据识别到的参数设置页大小、块大小和芯片总容量
  4. 初始化OOB布局和ECC配置
  5. 检查坏块并建立坏块表

4 坏块管理机制详解

4.1 坏块的成因与分类

NAND闪存的坏块是指由于制造缺陷或使用磨损而变得不可靠或完全失效的存储块。坏块管理是NAND存储系统设计中不可或缺的一环，直接影响数据的可靠性和存储系统的寿命。坏块主要分为两大类：

  1. 出厂坏块：在制造过程中产生的坏块，由于NAND闪存的工艺特性，即使是全新的芯片也允许存在一定比例的坏块。厂商在出厂前会进行测试，并将这些坏块标记出来。
  2. 使用坏块：在设备使用过程中产生的坏块，由于NAND闪存的写/擦除次数有限，当某个块的擦写次数超过额定值后，就可能变得不稳定或完全失效。

NAND闪存的每一页都有额外的存储区域称为OOB（Out-Of-Band）区或备用区，对于页大小为512B的NAND，OOB区通常为16B。在这个OOB区中，特定的字节用于标记坏块。通常，每个块的第一页或第二页的OOB区第6个字节如果不是0xFF，则表示该块为坏块。

4.2 坏块表（BBT）机制

Linux内核通过坏块表来管理NAND闪存中的坏块。BBT是一个在位图中记录坏块位置的数据结构，可以存储在NAND闪存中，也可以在启动时扫描重建。内核中的nand_bbt.c文件实现了坏块管理的核心逻辑。

BBT的创建过程包括：

  1. 扫描所有块，检查OOB区中的坏块标记
  2. 创建位图，其中每个位代表一个块的状态（好块或坏块）
  3. 将位图保存到NAND闪存的特定位置（通常是最後几个好块中）
  4. 系统启动时从闪存加载BBT，或重新扫描建立

关键数据结构nand_bbt_descr描述了BBT的存储位置和特征：

struct nand_bbt_descr {int options;int pages[NAND_MAX_CHIPS];int offs;int veroffs;uint8_t version[4];int maxblocks;int reserved_block_code;struct mtd_oob_ops ops;
};

BBT的管理策略主要有两种：

  • Reserve Block策略：保留一些好的块专门用于存储BBT和其他元数据
  • Scatter策略：将BBT分散存储在多个位置，提高可靠性

4.3 坏块处理策略

当NAND驱动发现坏块时，可以采取多种处理策略，这些策略通常在文件系统层或块设备抽象层实现：

  1. 跳过策略：在逻辑地址到物理地址的映射中直接跳过坏块，使上层看不到坏块的存在
  2. 替换策略：保留一部分好块作为备用池，当发现坏块时，用备用块替换
  3. 标记策略：在文件系统层面标记坏块，避免将其分配给文件

不同的文件系统对坏块的处理方式也不同：

  • JFFS2：作为专门为闪存设计的文件系统，它具有内置的坏块管理功能，能够跳过坏块并在好块中存储数据
  • UBIFS：基于UBI层，它提供了更高级的坏块管理和磨损均衡功能
  • 传统文件系统（如Ext2）：需要额外的中间层（如FTL或NFTL）来处理坏块

表：不同文件系统对NAND坏块的支持对比

文件系统坏块管理磨损均衡掉电安全适用场景
JFFS2内置支持基本支持较好小容量嵌入式系统
UBIFS通过UBI层支持高级支持优秀大容量NAND设备
YAFFS2内置支持支持良好各种NAND闪存
Ext2/Ext3需要FTL层依赖FTL一般带有FTL的SSD
F2FS内置支持高级支持良好大容量闪存设备

4.4 坏块管理的实际实现

在实际的NAND驱动中，坏块检查通常通过以下函数实现：

/*** nand_block_bad - 检查一个块是否为坏块* @mtd: MTD设备结构* @ofs: 偏移地址*/
static int nand_block_bad(struct mtd_info *mtd, loff_t ofs)
{struct nand_chip *chip = mtd->priv;uint8_t oob_buf[8];struct mtd_oob_ops ops = {0};int ret, i;// 读取OOB数据ops.mode = MTD_OPS_RAW;ops.ooboffs = 0;ops.oobbuf = oob_buf;ops.ooblen = sizeof(oob_buf);ops.datbuf = NULL;// 读取块中第一页的OOBret = mtd_read_oob(mtd, ofs, &ops);if (ret)return ret;// 检查坏块标记（通常为OOB的第6字节）if (oob_buf[5] != 0xFF) {pr_warn("Bad block at 0x%08llx\n", (unsigned long long)ofs);return 1;}return 0;
}

对于磨损均衡，虽然传统上这是文件系统的职责，但在驱动层面也可以实现基本的均衡策略。特别是当使用简单的块设备模拟时，驱动层可以通过记录块的擦除次数并优先使用擦除次数少的块来实现基础的磨损均衡。

5 ECC错误校正原理与实现

5.1 ECC基本原理

ECC（Error Checking and Correction，错误检查与校正） 是NAND闪存系统中保证数据可靠性的关键技术。由于NAND闪存固有的位翻转特性，即存储的比特可能自发地从1变为0或从0变为1，因此必须采用ECC来检测和纠正这些错误。

ECC的基本原理是通过添加冗余信息来实现错误检测和纠正。当写入数据时，ECC算法根据原始数据计算出一组校验码，并将其与数据一起存储。当读取数据时，重新计算校验码并与存储的校验码比较，如果发现差异，则表明发生了错误，并尝试纠正。

常用的ECC算法包括：

  • 汉明码：能够检测2位错误或纠正1位错误，实现简单，开销小
  • BCH码：能够纠正多位错误，适用于对可靠性要求更高的场景
  • RS码：里德-所罗门码，纠错能力更强，但计算更复杂
  • LDPC码：低密度奇偶校验码，接近香农极限，但实现复杂

在NAND闪存中，ECC校验码通常存储在OOB区域。对于页大小为512B的NAND，OOB区有16B，其中一部分用于坏块标记，其余部分可用于存储ECC数据。

5.2 硬件ECC与软件ECC

Linux内核支持硬件ECC和软件ECC两种实现方式。硬件ECC由NAND控制器的专用电路实现，速度快，对CPU负载小；而软件ECC通过内核代码实现，灵活性高，但占用CPU资源。

硬件ECC的实现通常依赖于SoC中的专用NAND控制器。例如，许多ARM SoC都包含了能够自动计算和验证ECC的NAND控制器。使用硬件ECC时，驱动需要：

  1. 在写入数据前启用硬件ECC计算
  2. 写入页数据，硬件自动计算ECC并写入OOB区
  3. 读取数据时，硬件自动验证ECC并纠正可纠正的错误

相应的驱动代码可能如下所示：

// 启用硬件ECC
static void s3c_nand_enable_hwecc(struct nand_chip *chip, int mode)
{struct s3c_nand_info *info = s3c_nand_get_info(chip);u32 ctrl;ctrl = readl(info->regs + S3C_NFCONT);ctrl |= S3C_NFCONT_INITECC;writel(ctrl, info->regs + S3C_NFCONT);
}// 计算硬件ECC
static int s3c_nand_calculate_ecc(struct nand_chip *chip, const uint8_t *dat, uint8_t *ecc_code)
{struct s3c_nand_info *info = s3c_nand_get_info(chip);uint32_t ecc = readl(info->regs + S3C_NFECC);ecc_code[0] = ecc & 0xFF;ecc_code[1] = (ecc >> 8) & 0xFF;ecc_code[2] = (ecc >> 16) & 0xFF;return 0;
}

软件ECC通过内核中的nand_ecc.c文件实现，主要函数包括：

  • nand_calculate_ecc()：计算数据的ECC校验码
  • nand_correct_data()：检测和纠正数据错误

软件ECC的实现虽然灵活，但在大容量NAND闪存或高性能场景下可能成为瓶颈，因为ECC计算会消耗大量CPU资源。

5.3 ECC的强度与选择

ECC的纠错能力是选择ECC方案时的重要考量因素。不同的NAND闪存类型和制程工艺需要不同强度的ECC：

  • SLC NAND：通常只需要1位纠错/512字节
  • MLC NAND：可能需要4-8位纠错/512字节
  • TLC NAND：可能需要8-24位纠错/512字节
  • QLC NAND：可能需要40位以上纠错/512字节

ECC的强度与存储开销和计算复杂度之间存在权衡。更强的ECC需要更多的存储空间来存放校验码，同时需要更复杂的计算。在Linux内核中，可以通过struct nand_ecc_ctrl结构体配置ECC的参数：

struct nand_ecc_ctrl {nand_ecc_modes_t mode;      // ECC模式：NAND_ECC_NONE, NAND_ECC_SOFT等int steps;                  // 每页的ECC分段数int bytes;                  // 每段的ECC字节数int size;                   // 每段的数据字节数int total;                  // 总ECC字节数int strength;               // 每段的纠错位数// ECC计算和校正函数int (*calculate)(struct nand_chip *chip, const uint8_t *dat, uint8_t *ecc_calc);int (*correct)(struct nand_chip *chip, uint8_t *dat, uint8_t *read_ecc, uint8_t *calc_ecc);void (*hwctl)(struct nand_chip *chip, int mode);
};

5.4 ECC处理流程

ECC的完整处理流程包括写入时的ECC生成和读取时的ECC验证两个阶段，其工作流程如下图所示：

写入请求NAND驱动ECC引擎NAND闪存写入数据请求启用ECC计算发送数据到NAND计算ECC校验码写入数据+ECC到主区和OOB区读取时的ECC验证流程读取数据请求读取数据+ECC重新计算ECC校验码比较存储ECC和计算ECC返回校正后的数据返回成功和数据返回错误返回I/O错误alt[ECC匹配或可纠正错误-][不可纠正错误]写入请求NAND驱动ECC引擎NAND闪存

图：ECC处理流程图

在实际的读取过程中，当ECC检测到不可纠正的错误时，驱动会向上层返回-EIO错误。对于关键数据，上层可能会尝试重读或使用其他恢复策略。

6 从NAND闪存启动Linux的机制

6.1 启动流程概述

从NAND闪存启动Linux是一个复杂的过程，涉及多个阶段的加载器和特定的硬件初始化。与从NOR闪存或磁盘启动不同，NAND启动需要解决代码直接在NAND上执行的限制和内存映射的缺失等问题。

典型的从NAND启动Linux的流程包括：

  1. ROM启动加载器：SoC内部的固化代码初始化基本硬件并从NAND加载第一级引导程序
  2. 第一级引导程序：初始化NAND控制器，加载第二级引导程序
  3. 第二级引导程序：初始化更多硬件，加载Linux内核和设备树
  4. Linux内核：初始化系统，挂载根文件系统

6.2 引导程序的作用

引导程序在从NAND启动过程中起着关键作用，常见的引导程序包括U-Boot、RedBoot和Barebox等。这些引导程序需要具备NAND操作能力，包括：

  1. NAND控制器初始化：配置时序参数和控制寄存器
  2. NAND读取支持：实现从NAND闪存读取数据的功能
  3. 坏块处理：能够跳过坏块加载数据
  4. ECC处理：验证和纠正读取的数据

以U-Boot为例，其NAND支持包括以下功能：

  • nand info：显示NAND闪存信息
  • nand read：从NAND读取数据到内存
  • nand write：从内存写数据到NAND
  • nand erase：擦除NAND块
  • nand bad：显示坏块列表

6.3 内核启动参数传递

从NAND启动时，需要通过启动参数告诉内核根文件系统的位置和类型。常用的根文件系统设置包括：

  • root=/dev/mtdblockX：使用MTD块设备作为根文件系统
  • root=/dev/ubiblockX：使用UBI块设备作为根文件系统
  • rootfstype=jffs2或rootfstype=ubifs：指定根文件系统类型

此外，还需要通过设备树向内核传递NAND控制器的配置信息和分区布局。设备树中的NAND节点通常包括：

  • 寄存器地址和大小
  • 时序参数
  • ECC配置
  • 分区信息

6.4 初始RAM磁盘的作用

在某些系统中，可能会使用初始RAM磁盘作为临时的根文件系统，然后再切换到NAND上的永久根文件系统。这种方法的优点是：

  • 简化启动过程
  • 提供恢复能力
  • 允许在挂载主根文件系统前加载必要的模块

但是，初始RAM磁盘也会增加内存使用和启动时间，因此在资源受限的嵌入式系统中可能不适用。

7 实际驱动开发示例

7.1 简单NAND驱动实现

以下是一个基于虚拟平台的简单NAND驱动实现示例，演示了NAND驱动的基本结构：

#include <linux/module.h>
#include <linux/mtd/mtd.h>
#include <linux/mtd/rawnand.h>
#include <linux/platform_device.h>#define VIRT_NAND_SIZE (256 * 1024 * 1024) // 256MB
#define VIRT_NAND_PAGE_SIZE 2048
#define VIRT_NAND_OOB_SIZE 64
#define VIRT_NAND_PAGES_PER_BLOCK 64
#define VIRT_NAND_BLOCK_SIZE (VIRT_NAND_PAGE_SIZE * VIRT_NAND_PAGES_PER_BLOCK)struct virt_nand_info {struct nand_chip chip;struct mtd_info mtd;void __iomem *io_base;uint8_t *data_buffer;
};// 读取一个字节
static uint8_t virt_nand_read_byte(struct nand_chip *chip)
{struct virt_nand_info *info = nand_get_controller_data(chip);uint8_t value;// 从模拟的NAND数据寄存器读取值value = readb(info->io_base + 0x100);return value;
}// 写入一个字节
static void virt_nand_write_byte(struct nand_chip *chip, uint8_t byte)
{struct virt_nand_info *info = nand_get_controller_data(chip);// 写入到模拟的NAND数据寄存器writeb(byte, info->io_base + 0x100);
}// 命令/地址控制函数
static void virt_nand_cmd_ctrl(struct nand_chip *chip, int dat, unsigned int ctrl)
{struct virt_nand_info *info = nand_get_controller_data(chip);if (ctrl & NAND_CLE) {// 发送命令writeb(dat, info->io_base + 0x200);} else if (ctrl & NAND_ALE) {// 发送地址writeb(dat, info->io_base + 0x300);}
}// 设备就绪检查
static int virt_nand_dev_ready(struct nand_chip *chip)
{struct virt_nand_info *info = nand_get_controller_data(chip);// 检查状态寄存器，假设bit0为就绪标志return readb(info->io_base + 0x400) & 0x01;
}// 初始化函数
static int virt_nand_probe(struct platform_device *pdev)
{struct virt_nand_info *info;struct mtd_info *mtd;struct nand_chip *nand;struct resource *res;int ret;// 分配内存info = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*info), GFP_KERNEL);if (!info)return -ENOMEM;// 映射IO地址res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);info->io_base = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);if (IS_ERR(info->io_base))return PTR_ERR(info->io_base);// 初始化nand_chip结构nand = &info->chip;mtd = nand_to_mtd(nand);// 设置控制器数据nand_set_controller_data(nand, info);// 设置NAND操作函数nand->read_byte = virt_nand_read_byte;nand->write_byte = virt_nand_write_byte;nand->cmd_ctrl = virt_nand_cmd_ctrl;nand->dev_ready = virt_nand_dev_ready;// 设置NAND参数nand->ecc.mode = NAND_ECC_SOFT;nand->options = NAND_NO_SUBPAGE_WRITE;// 扫描NAND设备ret = nand_scan(nand, 1);if (ret)return ret;// 设置MTD设备信息mtd->name = "virt-nand";mtd->owner = THIS_MODULE;// 添加MTD设备ret = mtd_device_register(mtd, NULL, 0);if (ret) {nand_release(nand);return ret;}platform_set_drvdata(pdev, info);dev_info(&pdev->dev, "Virtual NAND driver initialized\n");return 0;
}// 移除函数
static int virt_nand_remove(struct platform_device *pdev)
{struct virt_nand_info *info = platform_get_drvdata(pdev);struct nand_chip *chip = &info->chip;struct mtd_info *mtd = nand_to_mtd(chip);nand_release(chip);mtd_device_unregister(mtd);return 0;
}// 平台设备定义
static const struct of_device_id virt_nand_of_match[] = {{ .compatible = "vendor,virt-nand" },{}
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, virt_nand_of_match);static struct platform_driver virt_nand_driver = {.driver = {.name = "virt-nand",.of_match_table = virt_nand_of_match,},.probe = virt_nand_probe,.remove = virt_nand_remove,
};module_platform_driver(virt_nand_driver);MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("NAND Driver Developer");
MODULE_DESCRIPTION("Virtual NAND Flash Driver");

7.2 关键函数详解

nand_scan()函数是NAND驱动初始化的核心，它执行以下关键操作：

  1. 识别NAND芯片：通过发送READID命令（0x90）读取厂商ID和设备ID
  2. 查找匹配参数：在nand_flash_ids[]数组中查找对应的NAND参数
  3. 设置芯片参数：根据识别结果设置页大小、块大小、OOB布局等
  4. 初始化ECC：根据配置初始化ECC引擎
  5. 构建BBT：扫描坏块并建立坏块表

OOB布局是NAND驱动中的一个重要概念，它定义了OOB区域的字节分配。典型的OOB布局可能包括：

  • 坏块标记
  • ECC校验码
  • 文件系统元数据

对于软件ECC，可以使用标准OOB布局：

static struct nand_ecclayout nand_oob_64 = {.eccbytes = 24,.eccpos = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15,16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23},.oobfree = {{.offset = 24, .length = 40}}
};

7.3 性能优化技巧

在实际的NAND驱动开发中，可以采用多种性能优化技术：

  1. DMA传输：使用DMA代替CPU进行数据传输，减少CPU占用
  2. 命令队列：支持多个命令的排队和执行，提高并发性
  3. 交错访问：在多个Die之间交错执行操作，提高吞吐量
  4. 缓存编程：利用NAND闪存的缓存特性，隐藏写入延迟

例如，使用DMA进行数据传输的实现可能如下：

static int s3c_nand_read_page_hwecc(struct nand_chip *chip, uint8_t *buf, int oob_required, int page)
{struct s3c_nand_info *info = s3c_nand_get_info(chip);dma_addr_t dma_addr;// 准备DMA传输dma_addr = dma_map_single(&info->pdev->dev, buf, chip->ecc.size, DMA_FROM_DEVICE);// 配置DMAwritel(dma_addr, info->regs + S3C_NFDMA_ADDR);writel(chip->ecc.size, info->regs + S3C_NFDMA_SIZE);// 启动DMA传输writel(readl(info->regs + S3C_NFCONT) | S3C_NFCONT_DMA_EN, info->regs + S3C_NFCONT);// 等待DMA完成wait_for_completion(&info->dma_completion);// 取消DMA映射dma_unmap_single(&info->pdev->dev, dma_addr, chip->ecc.size, DMA_FROM_DEVICE);// 读取ECC结果return s3c_nand_calculate_ecc(chip, buf, chip->oob_poi);
}

8 工具与调试方法

8.1 MTD工具集

Linux提供了丰富的MTD工具用于管理和调试NAND闪存设备。这些工具是mtd-utils软件包的一部分，主要包括：

  • flash_erase：擦除MTD设备上的一个或多个擦除块
  • nanddump：从NAND设备转储数据，包括OOB区域
  • nandwrite：将数据写入NAND设备
  • mtdinfo：显示MTD设备信息
  • mtd_debug：用于MTD调试的简单工具

例如，使用nanddump检查NAND设备的内容：

# 转储NAND设备的前10个页，包括OOB数据
nanddump /dev/mtd0 -l 20480 -o -f /tmp/nand_dump.bin

使用flash_erase擦除NAND块：

# 擦除从偏移0x10000开始的10个块
flash_erase /dev/mtd0 0x10000 10

8.2 坏块检测与处理

检测和处理坏块是NAND闪存管理的重要任务。可以使用以下命令检测坏块：

# 检查NAND设备的坏块
nandtest /dev/mtd0

对于检测到的坏块，可以采取以下处理方式：

  1. 标记坏块：使用nandwrite或特定工具将坏块标记写入OOB区域
  2. 更新BBT：确保坏块表包含新发现的坏块
  3. 文件系统处理：对于UBIFS等文件系统，坏块会自动处理

8.3 内核调试技巧

调试NAND驱动时，可以使用多种内核调试技术：

  1. 动态调试：启用NAND子系统的动态调试信息

    echo 'file nand* +p' > /sys/kernel/debug/dynamic_debug/control
echo 'file mtd* +p' > /sys/kernel/debug/dynamic_debug/control

  2. MTD调试选项：在编译内核时启用MTD调试选项

    • CONFIG_MTD_DEBUG：启用MTD核心调试
    • CONFIG_MTD_DEBUG_VERBOSE：详细的MTD调试信息
    • CONFIG_MTD_NAND_VERIFY_WRITE：验证写入操作

  3. 系统日志分析：检查内核日志中的NAND相关消息

    dmesg | grep -i nand
dmesg | grep -i mtd

  4. Proc和Sysfs文件系统：通过proc和sysfs获取MTD设备信息

    cat /proc/mtd
ls -la /sys/class/mtd/

8.4 性能测试与优化

评估NAND驱动性能时，可以使用以下工具和方法：

  1. 读写速度测试：使用dd命令测试顺序读写速度

    # 测试写入速度
dd if=/dev/zero of=/dev/mtdblock0 bs=1M count=10# 测试读取速度  
dd if=/dev/mtdblock0 of=/dev/null bs=1M count=10

  2. IOPS测试：使用fio工具测试随机读写性能

    fio --name=test --filename=/dev/mtdblock0 --ioengine=sync \--rw=randread --bs=4k --size=1M --numjobs=1 --time_based --runtime=10s

  3. 延迟测试：使用latencytop等工具分析I/O延迟

9 总结

本文全面分析了Linux NAND闪存存储系统的工作原理、实现机制和代码框架。我们从NAND闪存的硬件特性入手，探讨了Linux MTD子系统的设计哲学和层次结构，深入分析了NAND驱动框架的各个组件和它们之间的协作关系。

在坏块管理方面，我们详细讨论了坏块的成因、分类和管理策略，包括BBT的机制和不同文件系统对坏块的处理方式。ECC错误校正部分涵盖了从基本原理到硬件/软件实现的完整内容，强调了在不同应用场景下ECC方案的选择考量。

我们还探讨了从NAND启动Linux的特殊要求和实现机制，并通过完整的驱动开发示例展示了实际开发中的关键技术和最佳实践。最后，我们介绍了用于NAND闪存管理和调试的工具集和调试方法。

关键要点总结：

  • NAND闪存的硬件特性决定了其软件实现的复杂性
  • MTD子系统通过分层设计屏蔽了硬件差异，提供了统一接口
  • 坏块管理和ECC校正是确保数据可靠性的关键技术
  • 从NAND启动需要引导程序和内核的紧密配合
  • Linux提供了丰富的工具集用于NAND设备的管理和调试
http://www.dtcms.com/a/577338.html

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