基于VxWorks的三星 NAND FLASH驅(qū)動程序設(shè)計
西南林學(xué)院 張晴暉 李俊萩
摘要： 在VxWorks實現(xiàn)上，涉及文件系統(tǒng)的文章不少，但一般都是針對容量較小，操作相對簡單的NORFLASH實現(xiàn)的。本文討論了如何在以AMCC公司的Power PC芯片PPC440epx為核心的嵌入式平臺上，利用三星公司的大容量NAND FLASH實現(xiàn)文件系統(tǒng)的具體辦法。
Abstract：
Key words :
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機技術(shù)也得到飛速的發(fā)展，產(chǎn)生了很多新技術(shù)。但就計算機的基本結(jié)構(gòu)來說，還是基本采用了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。然而馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的一個中心點就是存儲一控制，所以存儲器在計算機系統(tǒng)中的作用是非常重要的。嵌入式計算機作為計算機中的一個類別，對執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性都有較強的要求，這也決定了嵌入式系統(tǒng)不僅要有實時性很強的操作系統(tǒng)，同時也需要一種安全、快速的存儲設(shè)備。同時，嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常會涉及到海量數(shù)據(jù)的存儲，這就要求存儲設(shè)備必須具有可靠性高，功耗低，容量大，掉電數(shù)據(jù)不丟失等特點，而NAND FLASH芯片正好具有這些優(yōu)點。
VxWorks是嵌入式領(lǐng)域內(nèi)公認的最有特色的高性能實時操作系統(tǒng)之一。它以其良好的可靠性和卓越的實時性，被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通信、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機導(dǎo)航等。
目前，在VxWorks實現(xiàn)上，涉及文件系統(tǒng)的文章不少，但一般都是針對容量較小，操作相對簡單的NORFLASH實現(xiàn)的。本文討論了如何在以AMCC公司的Power PC芯片PPC440epx為核心的嵌入式平臺上，利用三星公司的大容量NAND FLASH實現(xiàn)文件系統(tǒng)的具體辦法。
1 三星NAND FLASH芯片K9F2G08QOM
K9F2G08QOM芯片的容量為256 M×8 b="2" Gb的數(shù)據(jù)區(qū)，再加上64 Mb的備用區(qū)。一塊這種芯片被分為2 048個塊，每個塊又分為64頁，每頁由2 KB的數(shù)據(jù)區(qū)加上64 B的備用區(qū)組成。如圖1所示，列地址為12 b(A11～A0)。當(dāng)A12為0時，A10～A0確定對每頁中2 KP；數(shù)據(jù)的訪問；當(dāng)A12為1時，訪問的是64 B的備用區(qū)。由于NANDFLASH芯片在出廠時就可能出現(xiàn)壞塊(塊中的某個或多個bit不能有效的進行讀寫)，為了將其標(biāo)注出來，三星公司保證每個壞塊的第一頁和第二頁備用區(qū)第一個byte的數(shù)據(jù)沒有被初始化為0xFF。設(shè)計人員要確保在對該芯片進行擦除之前，先將這個信息保留起來(建一個壞塊表)。行地址為17 b(A28～A12)。它確定了對2 048塊×64頁=128 K個頁中的某一頁進行訪問。為了簡化NAND FLASH芯片的管腳，其地址和數(shù)據(jù)信息共享8個I／O管腳，因此，其29 B的地址信息被設(shè)計為5個周期進行傳輸。具體操作如表1所示。
注：起始地址是列地址；L表示必須置為低電平
對NAND FLASH的操作流程比較簡單，即在第一個周期里送操作相關(guān)的命令字，然后送地址，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)，最后送確認字。需要說明的是，由于地址、命令和數(shù)據(jù)都共用8個I／O管腳來進行傳輸，因此在硬件上必須要有專用的管腳來區(qū)分傳輸類型(在傳輸命令的時候，命令鎖存使能信號CLE有效；在傳輸?shù)刂返臅r候，地址鎖存使能信號ALE有效)。具體的命令字、時序和操作流程在K9F2G08Q0M的數(shù)據(jù)手冊上有較詳細的描述，在此不一一詳述。
2 PPC440epx的NAND FLASH接口
AMCC公司的PPC440epx芯片是一款性能指標(biāo)較高的嵌入式CPU芯片，其主頻可以達到667 MHz，擁有DDR2接口，可支持千兆以太網(wǎng)，USB 2．0接口，支持浮點運算，同時還支持NAND FLASH芯片。
PPC440epx使用一個NAND FLASH Controller作為外部NAND FLASH與其外部總線通信的接口電路，該控制器最多可以支持4個NAND FLASH芯片，每個芯片的容量可以為4～256 MB，每頁的大小可以為512 B+16 B或者2 KB+64 B。NDFC(NANDFLASH Controller)的存在使得對NAND FLASH的操作變的非常簡單。根據(jù)前面對K9F2G08Q0M的介紹可知，對NAND FLASH的操作需要在硬件上產(chǎn)生ALE，CLE信號來區(qū)分傳輸類型。NDFC給程序設(shè)計人員提供兩種實現(xiàn)時序的方法：硬件實現(xiàn)，軟件實現(xiàn)。如果是前者， NDFC提供了幾個寄存器：命令寄存器、地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、配置寄存器和狀態(tài)寄存器。通過對這幾個寄存器執(zhí)行相應(yīng)的讀／寫操作就可以產(chǎn)生相應(yīng)的時序。例如，如果需要對NAND FLASH寫命令字80H，則只需將80H寫人命令寄存器即可。NDFC自動將80H送到I／O7～I／O0上，同時置CLE為有效狀態(tài)。而軟件實現(xiàn)方法是根據(jù)K9F2G08Q0M的時序要求，通過對硬件控制寄存器中相應(yīng)的bit寫1或者0，使得對應(yīng)的控制信號為高電平或者低電平。設(shè)計人員可以根據(jù)自己的情況，選擇實現(xiàn)方法。這里推薦采用硬件實現(xiàn)的方法。不過，在有問題時，可采用軟件實現(xiàn)的方法來進行調(diào)試。
3 TrueFFS簡介
TureFFS(Ture Flash File System)是M-Systems公司為VxWorks操作系統(tǒng)定制的實現(xiàn)FLASH塊設(shè)備的接口。通過使用TFFS，應(yīng)用程序?qū)LASH的讀寫就像對擁有MS-DOS文件系統(tǒng)的磁盤設(shè)備操作一樣。對于上層設(shè)計人員，TFFS屏蔽了底層多種多樣FLASH設(shè)備的具體細節(jié)。同時，由于FLASH存儲芯片自身的一些特性(如擦除、編程次數(shù)有限并且操作時間較長；容易進入過度編程狀態(tài)等)，TFFS采用虛擬塊、損耗均衡、碎片回收、錯誤恢復(fù)等機制來提高 FLASH的使用壽命，確保數(shù)據(jù)完整，優(yōu)化性能。
4 TrueFFS的實現(xiàn)
4．1 TrueFFS的基本結(jié)構(gòu)
TrueFFS由1個核心層和3個功能層組成，它們是翻譯層(Translation Layer)、MTD(Memory Tech-nology Drivers Layer)層和Socket層，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
(1)交互功能。它包含了控制FLASH映射到塊、wear-lev-eling、碎片回收和數(shù)據(jù)完整性所需的智能化處理功能。目前，有三種不同的翻譯層模塊可供選擇。選擇哪一種層需要看所用的FLASH介質(zhì)是采用NOR-based，還是NAND-based，或者SSFDC-based技術(shù)而定。
(2)MTD(Memory Technology Driver)層實現(xiàn)具體的FLASH芯片底層程序設(shè)計，包括讀、寫、擦、ID識別、映射等功能，以及一些與FLASH芯片相關(guān)的參數(shù)設(shè)置。
(3)Socket層提供了TrueFFS和硬件之間的接口服務(wù)，負責(zé)電源管理、檢測設(shè)備插拔、硬件寫保護、窗口管理和向系統(tǒng)注冊Socket等；
(4)核心層將其他3層有機結(jié)合起來，另外還處理全局問題，如信號量、碎片回收、計時器和其他系統(tǒng)資源等。
在VxWorks中，由于翻譯層和核心層以二進制形式提供給設(shè)計人員的，因此實現(xiàn)TFFS的主要工作集中在對MTD層和Socket層的設(shè)計上。
4．2 Socket層的實現(xiàn)
如果VxWorks中包含TFFS，在系統(tǒng)啟動后，先完成內(nèi)核的初始化，之后開始進行I/O的初始化操作。系統(tǒng)調(diào)用UsrRoot()函數(shù)，該函數(shù)再調(diào)用 tffsDrv()函數(shù)，這樣就產(chǎn)生如圖3所示的調(diào)用流程。調(diào)用這些函數(shù)的目的之一就是注冊socket驅(qū)動函數(shù)。最后的注冊操作都是由 xxxRegister()函數(shù)完成(這個函數(shù)和sysTff-sInit()函數(shù)的定義都在sysTffs．c中)的。該函數(shù)是通過更新 FLSocket結(jié)構(gòu)體來完成注冊操作的。該結(jié)構(gòu)體的定義以及相關(guān)細節(jié)可以通過閱讀VxWorks的幫助文件獲得，在此不詳述。
sysTffs．C文件的編寫，可以參考其他的BSP來完成。config目錄下的任何一個BSP都有該文件，設(shè)計人員可以復(fù)制其中一個到自己的BSP目錄下。例如：復(fù)制wrPpmc440gp目錄下的sysTffs．c文件，再根據(jù)自己的硬件電路修改FLASH BASE ADRS以及FLASHSIZE的宏定義，同時添加宏定義：#define INCLUDE_MTD_NAND。其他地方一般不需要改動。
4．3 MTD層驅(qū)動程序的實現(xiàn)
要創(chuàng)建一個TFFS塊設(shè)備，首先應(yīng)該調(diào)用函數(shù)tffsDevCreate()，這樣就產(chǎn)生了如圖4所示的一系列的調(diào)用函數(shù)。系統(tǒng)通過這一系列的調(diào)用函數(shù)來確認具體的MTD層程序。確認過程在flIdentifyFlash()函數(shù)中完成。flIdentifyFlash()通過逐個執(zhí)行 xxxIdentify()表中的程序來確定合適的MTD。如果系統(tǒng)只有一種FLASH，則只需寫一個Identify()函數(shù)可。與Socket層類似，MTD層的核心工作也是針對一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(FLFLASH)而進行的初始化操作。通過初始化操作來注冊FLASH芯片的處理函數(shù)，具體的實現(xiàn)是在函數(shù) xxxldentify()中完成的。
根據(jù)前面的介紹知道，MTD層的主要功能是實現(xiàn)對FLASH芯片的讀、寫、擦、ID識別、映射等操作。而對不同F(xiàn)LASH芯片的相應(yīng)操作是有一定差別的，所以使用不同的FLASH芯片時，MTD層的程序設(shè)計也是不一樣的。開發(fā)人員的工作是根據(jù)系統(tǒng)使用的具體FLASH芯片來完成相應(yīng)的程序設(shè)計。
Tornado提供了幾種FLASH的TrueFFS MTD層驅(qū)動的參考設(shè)計。在installDir＼target＼src＼drv＼tffs中，主要包括Intel，AMD等公司的幾種FLASH的 TrueFFS MTD層驅(qū)動。雖然沒有需要的K9F2G08驅(qū)動程序，但可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)來設(shè)計自己的MTD程序。具體做法是在BSP目錄下建立一個MTD層驅(qū)動文件，將其取名為K9F2G08Mtd．C。在該文件中首先編寫函數(shù)nandMTDIdentify()，如下所示為程序片段：
完成上述代碼后，剩下的工作就是完成在函數(shù)nandMTDIdentify()中引用的readFlashID()，nand-MTDRead()。 nandMTDWrite()，nandMTDErase()，nandMTDMap()這幾個函數(shù)的代碼編寫。由于不同的FLASH芯片，時序不同，因此這幾個函數(shù)的實現(xiàn)也不同。必須根據(jù)芯片K9F2G08的數(shù)據(jù)手冊上時序的要求，對PPC440epx的相應(yīng)寄存器進行讀／寫操作，以完成這些功能。由于篇幅原因，這幾個函數(shù)的具體代碼就不再贅述。建議在Boot Loader工作正常后，先在應(yīng)用程序中對這些函數(shù)進行調(diào)試。這樣就可以利用單步和斷點等工具進行調(diào)試，并且在修改后可立即通過網(wǎng)絡(luò)下載程序。
4．4 TrueFFS的配置
在完成上述代碼的編寫后，還要做如下工作：在配置文件config．h中增加定義INCLUDE_TFFS和IN-CLUDE_DOSFS，使得 TrueFFS組件和DOS文件系統(tǒng)被包含進來。并且要在MakeFile文件MACH_EXTRA一項中添加K9F2G08Mtd．o，這樣可將 TureFFS文件驅(qū)動程序加入系統(tǒng)。另外，還要在tffsConfig．c文件中的mtdTable[]表中添加上述的函數(shù)nandMTDI- dentify。
在此介紹如何在由AMCC公司的CPU芯片PPC440epx、三星公司的NAND FLASH構(gòu)成的硬件平臺上和VxWorks軟件平臺上，實現(xiàn)TrueFFS。按照上述設(shè)計流程，實現(xiàn)了NAND FLASH的驅(qū)動程序設(shè)計。能夠?qū)9F2G08進行正常的讀、寫、擦、ID識別、映射等操作。同時，在VxWorks操作系統(tǒng)上，實現(xiàn)了 TrueFFS。這樣就提高FLASH使用壽命，確保數(shù)據(jù)完整，優(yōu)化了FLAsH的性能。以此為基礎(chǔ)的系統(tǒng)在某機載設(shè)備上得到成功運用。
來源：現(xiàn)代電子技術(shù)
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