总结关于NAND Flash调试

很久没接触过 nandflash 驱动了，最近工作又摸了一下，那就顺便整理点笔记总结一下吧。nandflash 在我看来算是比较落后的存储设备了，所以文章里没有太多细节的东西，更多的是一些开发思路和经验，希望能帮助到有需要的人。

一、了解 nandflash 当前发展状况

什么是 nandflash？

nandflash 由许多保存位（ bit ）的单元（ cell ）组成，这些位通过电荷开启或关闭。这些开/关单元的组织方式表示存储在nandflash 上的数据。这些单元中的位数也决定了 nandflash 的命名，例如 Single Level Cell （ SLC ） nandflash 在每个单元中都包含一个位。MLC nandflash将每个单元的位数增加了一倍，而 TLC nandflash 则增加了三倍，这为更高容量的 nandflash 开辟了道路。

SLC 的优点是速度最快，最耐用，但缺点是价格昂贵，并且无法提供更高的存储容量。SLC 是企业使用的首选。与 SLC 相比，MLC 和 TLC 闪存的生产成本更低，存储容量更高，但要权衡相对较短的使用寿命和较慢的读/写速度。MLC 和 TLC 是日常消费计算机等个人用品的首选。

为什么在嵌入式设备上 emmc 取代了 nandflash？

由于NAND Flash芯片的不同厂牌包括三星、KingMax、东芝（Toshiba）或海力士（Hynix）、美光（Micron）等，都需要根据每家公司的产品和技术特性来重新设计，过去并没有哪个技术能够通用所有厂牌的NAND Flash芯片。

而每次NAND Flash制程技术改朝换代，包括70纳米演进至50纳米，再演进至40纳米或30纳米制程技术。

手机客户也都要重新设计（重新设计什么？因为你要通讯，就需要通讯的电压，时序，甚至接口命令，这些都随着不同厂商，不同制程技术而不同，你作为手机制造商或者soc厂商，想要把每种新的 nandflash 集成到你的产品中，就要根据这些新的特性来花时间设计。soc这边会有一个nandflash controller，你要根据采用的nandflash特性来配置nand flash controller，以达到成功通讯的目的）。

但半导体产品每1年制程技术都会推陈出新，存储器问题也拖累手机新机种推出的速度，因此像eMMC这种把所有存储器和管理nandflash的控制芯片都包在1颗MCP上的概念，逐渐风行起来。即：

NAND Flash 是一种存储介质，要在上面读写数据，外部要加主控和电路设计；

eMMC是NAND Flash+主控IC ，对外的接口协议与SD、TF卡类似；

emmc 内部根本的存储介质还是 nandflash，而不是一种全新的 storage。但是他定义并规范了统一接口比如：emmc 4.3， 4.4， 4.5（类似于usb 2.0， 3.0 这样的）， 把和 nand flash 的通讯封装在emmc内部，而提供给外部的接口就是 emmc 接口。

同理， 外部，比如soc就需要有个 sdmmc controller， 并且宣布支持 emmc 4.3/4.4.。。，那么，你需要做的就是，根据选用的emmc的版本号，来给 sdmmc controller 来选择一个通讯的接口版本号4.4。

二、如何驱动一款NAND Flash？

参考：

《韦东山嵌入式Linux视频第一期-nandflash》

（一） 基础硬件知识

nandflash 是一个存储芯片，那么它应该能提供“读地址A的数据，把数据B写到地址A“的功能。

以Mini2440为例简单说明一下：

问1：原理图上 NAND FLASH 和 S3C2440 之间只有数据线，如何传输地址呢？

答1．在DATA0～DATA7上既传输数据，又传输地址，当ALE为高电平时传输的是地址。

问2：从NAND FLASH芯片手册可知，要读写NAND FLASH需要先发出命令，如何传入命令？

在DATA0～DATA7上既传输数据，又传输地址，也传输命令；

当ALE为高电平时传输的是地址；

当CLE为高电平时传输的是命令；

当ALE和CLE都为低电平时传输的是数据；

问3：数据线LDATAn既接到NAND FLASH，也接到NOR FLASH，还接到SDRAM、DM9000等等，cpu如何准确的将某个地址发到正确的芯片上而不干扰其他芯片呢？

这些芯片，要访问之必须”选中“（即片选信号为低），没有选中的芯片不会工作，相当于没接一样。

问4：假设烧写NAND FLASH，把命令、地址、数据发给它之后，NAND FLASH肯定不可能瞬间完成烧写的，怎么判断烧写完成？

通过状态引脚RnB来判断：它为高电平表示就绪，它为低电平表示正忙。

问5：怎么操作NAND FLASH呢？

答5. 根据NAND FLASH的芯片手册，一般的过程是：

（1） 发出命令

（2） 发出地址

（3） 写数据/读数据

（4） 等待

（二） CPU nandflash 控制器章节导读

SLC nandflash一般是1bit ecc，对应的编解码的过程需阅读上述内容。

MLC nandflash 一般是8/12/16 bit ecc，对应的编解码的过程需阅读上述内容。

（三） nandflash 芯片手册导读

特性列表，一般位于芯片手册首页，可以帮助我们快速了解芯片特性，基本可以认为是最重要的信息。

不同芯片厂商的nandflash芯片引脚定义基本是一致的，但是可能会有1~2引脚是有差异，需要核对。

上图可用于确定nandflash的存储布局；

上图可用于核对芯片的型号和详细的硬件特性；

（四） nandflash 调试思路：

1. 通读 CPU 芯片手册 nandflash 控制器章节：

- 了解该 CPU nandflash 控制器支持哪些特性，一般包括nandflash的bit数，以确定是否支持当前选用的nandflash芯片；- 明确该芯片的 nandflash 控制器 ecc 校验功能的工作流程；

2. 通读 nandflash 芯片手册：

- 了解 nandflash 芯片的基本信息，例如ID、容量、类型（SLC/MLC）- 结合板子的原理图一起查看，以确定 CPU 和 nandflash 芯片的引脚连接是否正确。不同厂商（例如三星、镁光）生产的nandflash引脚不一定完全兼容，可能会有一两根引脚有差异；

3. 在 U-boot 或者 Linux 下实现读取 nandflash 芯片的ID值的功能：nand_read_id（）

- U-boot 和 Linux哪个顺手用哪个，U-boot的优点是启动快，做测试方便点，而 Linux的优点是支持网络/文件系统，功能强大；- 能读到 ID 只能说明 CPU 和 nandflash 芯片硬件连接上有了些许保障 （例如发命令、读数据），但是某些隐蔽的错误硬件连接仍然会导致写数据异常；

4. 在 U-boot 或者 Linux 下实现读取擦除 一块数据的功能：nand_erase_block（）

- 相比起读写数据，擦除 nandflash 数据块较为容易。而且只有成功擦除了，才能进一步验证读写nandflash的功能。nandflash 数据块被擦除后所有数据均为 0xFF，利用这个特性可以验证稍后需要实现的读一页的操作是否正常；

5. 在 U-boot 或者 Linux 下实现裸读一页数据（ 不考虑ecc校验 ）的功能：nand_read_page_raw（）

- nandflash 的1页包括 main 区域和oob区域， main 区域用于保存用户数据，spare 区域用于保存 ecc校验码；- 一般说写一页数据时，需要结合上下文才能判断是写 main 区域还是写 main + spare 区域；- nandflash 一般需要ecc 校验功能来保证数据的安全，但是在前期调试阶段，我们可以不考虑ecc 校验直接实现裸读一页数据的功能。事实上，我们也无法考虑ecc 校验的功能，因为到现在为止还不能写数据到 nandflash的main区域，更别说写 ecc 校验码到oob区域；- 我们需要先实现读数据的功能，确保读数据功能的可靠后，待会才能用其来验证写数据的操作；

6. 在 U-boot 或者 Linux 下实现裸写一页数据（ 不考虑ecc校验 ）的功能；nand_write_page_raw（）- 裸写一页和裸读一页的操作可以相互协同验证；- uboot 的 cmp 命令可以对比两块内存的数据是否相同，该命令可以用于验证写操作是否成功；

7. 在 U-boot 或者 Linux 下实现写一页数据到 main区域，并将 nandflash 控制器生成的 ecc 校验码填写到oob区域：nand_write_page（）

- 写一页数据到 main 区域时，nandflash 控制器会生成 ecc 校验码，这些校验码就是用来保护这一页数据的；

8. 在 U-boot 或者 Linux 下实现读一页数据的功能，包括读 main 区域的数据和 spare 区域的 ecc 校验码：nand_read_page（）

- 从nandflash spare 区域读到的 ecc 校验码应该发送给 nandflash 控制器，nandflash 控制器会帮我们计算好是否有bit 错误，并且将结果和纠错需要用到的信息保存在寄存器中，软件通过寄存器里的信息推导出正确的数据；

9. 由于bit 错误的问题不容易出现，所以在调试阶段需要人为制造出与 spare 区域 不匹配的 main 数据，以检验ecc 校验功能是否正常，即数据是否能被纠正，大体的思路是：

- 通过 nand_write_page（） 写一页正确的数据到 main 区域 和 spare 区域；- 篡改在内存中的数据，然后通过 nand_write_page_raw（） 将篡改后的数据填写到 main 区域，spare 区域保持不变；- 通过nand_read_page 读 一页数据，如果能执行纠错相关的代码，并且能获取到被篡改之前的数据，则说明校验功能是可以工作的；

10. 如果 main 区域的 ecc 校验码字节数比较多，并且 spare 区域足够大的话，可以对存放在 spare 区域里的 main ecc校验码进行二次 ecc，这时生成的 ecc 校验码我将其称为 spare ecc，它一般会存放在spare区域的末尾，并不是必须的；

（五） Linux Nand Flash驱动

参考：

《韦东山嵌入式Linux视频第二期-nandflash》

Linux MTD stack

对于nandflash 驱动，需要重点关注的地方：

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设备的字符设备驱动节点，上图展示了 read（”/dev/mtd0“） 的底层实现（MTD layer-》NAND core-》Controller driver）。

NAND legacy stack 的弊端

无法执行细粒度的NAND Flash 命令，粒度的大小被限制在NAND core层面了；

芯片厂商更新的NAND Flash特性时需修改所有的Controller driver；

NAND new stack（ Linux-4.16 之后）

将NAND 的控制逻辑下放到Controller driver层，NAND Core统一调用Controller driver提供的钩子函数：exec_op（）;

（六） 测试稳定性和性能

MTD tests support

mtd_nandecctest.ko：nand flash的ECC校验测试

mtd_pagetest.ko：nand flash的page读写测试

mtd_speedtest.ko：MTD分区的读写速度测试

mtd_subpagetest.ko：nand flash的sub-page接口测试

mtd_oobtest.ko：nand falsh的OOB区域读写测试

mtd_readtest.ko：读取整个MTD分区

mtd_stresstest.ko：随机读写，擦除操作测试

mtd_torturetest.ko：该功能可用于做稳定性或者寿命测试，随机操作直到发生错误

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

一个反复读写并校验数据正确性的小脚本：

#！/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 文件系统的选择：YAFFS2

参考：

《基于nand flash的文件系统的整理》

《Cramfs、JFFS2、YAFFS2的全面对比》

针对 nandflash 特点优化其性能以及克服其缺点

nanflash 不是通常意义上的块设备，块设备的特点是可以对数据块进行读、写操作（如磁盘，文件系统等），但是对于nanflash 来说有三种操作分别是：读、写、擦除。只有对已擦除的块才能进行写操作。所以为了使其兼容传统的硬件和系统，需要对其进行特殊处理；

当一个闪存处在干净状态时（被擦除过，但是还没有写操作发生），这块flash上的每一位（bit）都是逻辑1；

闪存的使用寿命是有限的，具体来说，闪存的使用寿命是由擦除块的最大可擦除次数来决定的。超过了最大可擦除次数，这个擦除块就成为坏块（bad block）了。因此要避免某个擦除块被过度使用，以至于先于其他擦除块变成坏块，应该在尽量少影响性能的前提下，使擦写操作均匀分布在每个擦除块上，叫做损耗均衡（wear leveling）。

YAFFS意为「Yet Another Flash File System」，是目前唯一一个专门为NAND Flash设计的文件系统。它采用了类日志结构，结合NAND Flash的特点，提供了损耗平衡和掉电保护机制，可以有效地避免意外掉电对文件系统一致性和完整性的影响。

nanflash 和 YAFFS2之间是如何配合的？

通过分析mkyaffs2iamge.c可知：

yaffs2 映像文件是由一个个的main（4096） + spare（224）数据组成；

main里存放的是文件（包括目录、普通文件、特殊文件等）数据；

spare里前面的nand_oobinfo-》oobfree（2+22=24）个字节归yaffs2自由使用，然后接下来的nand_oobinfo-》eccbytes（104）个字节都填0xFF，即yaffs2 images本身是不含有ecc校验码的；（以上数值跟实际nandflash芯片相关）

更多细节：

how-yaffs-works［1］

参考资料

［1］YAFF2官网：https://yaffs.net/documents/how-yaffs-works编辑：jq