嵌入式学习笔记（一）——初识NAND FLASH

初识NAND FLASH

买了本二手书（《嵌入式系统原理及接口技术》）刚从目录扫到“NAND FLASH”这个概念，接着就得到了老师的任务，要我做NAND FLASH FTL，神马香港博士做好了接口，让改程序神码的，虽然不明白什么意思，但感觉像驱动开发，觉得很厉害！！！

差点起名字叫NAND FLASH学习笔记，一想也不对，我目前的目标是NAND FLASH，但是相关的整个体系都得学才明白，而我也是这样做的，那应该叫嵌入式学习。

说是让我先去搜索中文资料，随后发给我英文版的资料。好了，开始搜索吧，先百科“NAND FLASH”，再百度“NAND FLASH FTL” “NAND FLASH 驱动”等字眼，然后把我那二手书也扫两眼，就这么定了

百科篇：

打开百科，映入眼帘的是NOR FLASH与NAND FLASH对比。NOR的特点是XIP，eXecute In Place——芯片内执行，技术角度就是，它可以在FLASH内运行程序，不用转到RAM，这就是所谓插入U盘可以扩充电脑内存的说法的来源吧，那这句话的错误之处肯定在于他没提出NAND不可以这样做。

NOR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除 速度大大影响了它的性能。

NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理需要特殊的系统接口。

以前知道磁盘都是扇区的，FLASH的擦写单元是块。NOR的块大64KB~128KB，擦写一次慢，NAND块小8KB~32KB，擦写一次快。而且NOR擦前要写1，更繁琐更慢了。

关于FTL的主要作用：

FTL： FLASH传输层软件，有两个作用，一是对FLASH写入进行负载均衡，由此提升FLASH的寿命；二是提供类似传统磁盘大小的块（512 bytes）访问界面，以便可以在FLASH上使用为磁盘存储介质而设计的文件系统，如FAT。

NFTL：适合NAND FLASH的FTL。与NOR FLASH相比，增加了坏块管理，页管理，以及ECC等纠错措施。

为什么要FTL？

由于传统的文件系统不是为Flash而设计的，如果直接在Flash上运行会很快使Flash局部老化而丢失数据，或崩溃。另外由于FLASH的块比较大，如果直接映射成块设备的话，空间利用率低。

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性能比较

● NOR的读速度比NAND稍快一些。 (因为说了NOR传输快嘛）

● NAND的写入速度比NOR快很多。（写入也要先擦出嘛）

● NAND的擦除速度远比NOR快。（块的大小不宜样）

● NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更加简单。（估计是不用额外写下1）

● NAND的实际应用方式要比NOR复杂的多。（不明觉厉）

● NOR可以直接使用，并在上面直接运行代码，而NAND需要I/O接口，因此使用时需要驱动。（前边提到NOR或许能扩充内存的问题，还有关键的，我要了解的驱动内容来了）

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目前我的大脑获得的有用信息就是NAND期间使用复杂的I/O口来串行地存取数据，8个引脚用来传送控制/地址和数据信息。总之，它需要驱动。

ref:

构成

NAND Flash 的数据是以bit的方式保存在memory cell，一般来说，一个cell 中只能存储一个bit。这些cell 以8个或者16个为单位，连成bit line，形成所谓的byte(x8)/word(x16)，这就是NAND Device的位宽。这些Line会再组成Page，(NAND Flash 有多种结构，我使用的NAND Flash 是K9F1208,下面内容针对三星的K9F1208U0M)，每页528Bytes(512byte(Main Area)+16byte(Spare Area))，每32个page形成一个Block(32*528B)。具体一片flash上有多少个Block视需要所定。我所使用的三星k9f1208U0M具有4096个block，故总容量为4096*（32*528B）=66MB，但是其中的2MB是用来保存ECC校验码等额外数据的，故实际中可使用的为64MB。

NAND flash以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据。按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址：

Column Address：Starting Address of the Register. 翻成中文为列地址，地址的低8位

Page Address ：页地址

Block Address ：块地址

对于NAND Flash来讲，地址和命令只能在I/O[7:0]上传递，数据宽度是8位。

在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持，在NAND器件上进行同样操作时，通常 需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序(MTD )，NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。

坏块：NAND的坏块是分布的，也不好有效处理，因此存储一直需要虚拟映射。

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NOR FLASH的主要供应商是INTEL ,MICRO等厂商，曾经是FLASH的主流产品，但现在被 NAND FLASH挤的比较难受。它的优点是可以直接从FLASH中运行程序，但是工艺复杂，价格比 较贵。

NAND FLASH的主要供应商是SAMSUNG和东芝，在U盘、各种存储卡、MP3播放器里面的都是这种 FLASH，由于工艺上的不同，它比NOR FLASH拥有更大存储容量，而且便宜。但也有缺点，就是

无法寻址直接运行程序，只能存储数据。另外NAND FLASH 非常容易出现坏区，所以需要有校验

的算法。

在掌上电脑里要使用NAND FLASH 存储数据和程序，但是必须有NOR FLASH来启动。除了

SAMSUNG处理器，其他用在掌上电脑的主流处理器还不支持直接由NAND FLASH 启动程序。因此，

必须先用一片小的NOR FLASH 启动机器，在把OS等软件从NAND FLASH 载入SDRAM中运行才行，

挺麻烦的。

（引导相关 bootloader还没学）

另外还有数码产品中，有SLC和MLC两种NAND，品牌，制作工艺等，封装技术BGA、COB、TSOP。等等。。。我的重点是linux和驱动，掠过

课本篇（Day 2）:

把我的二手书《嵌入式系统原理及接口技术》看了下，和NAND FLASH有关的标题有两个，一个是寻址（Addressing），一个是接口（interface)

NAND FLASH接口引脚有三类：数据、控制、状态。

数据引脚高度复用：地址总线、数据总线、命令输入信号线。

此外还有命令锁存使能CLE、地址锁存使能ALE、读写使能nRE、nWE、片选nCE等，还有R/nB（高电平表示芯片忙），I/O 0～7。

有个问题，NAND FLASH（eg.K9F6408) 8MB可用空间，除以块数1024,除以页数16，一页可用512B，可是实际确实528B，还有16B的辅助数据存储器，存放ECC代码，坏块信息和文件系统代码等。而且：芯片内部还有一个528B的静态寄存器，名为页寄存器，听起来像一个索引，但是却是用来做数据存取的缓冲区。

那这里就有个悖论了，怎么设计要制作的存储芯片大小，按8MB生产的话，不够，还要给出一堆零头，专门计算此特例。难道按528那个算，这样生产太不统一标准了吧，又或者都是大概多大一块，然后用了多少，所以都不整齐，只是大概容量差不多，从里边格式化来这么多就行了。实际生产到底怎样呢（至少知道组成原理课中一般都简化了，一个芯片就是个很规整的数字比如8MB）.

NAND FLASH的特点使它可以当bootloader，貌似是这个意思。

（前文提过NAND FLASH需要接口设计，而且没有统一标准，只是说各家可能大概套路会些共同点，这本N年前的书说ONFI（Open NAND Flash Interface），说Intel发起的要统一标准，既然现在老师还让我做，估计是没统一，查一下吧，貌似2011年就ONFI3.0了。。。。那统一不统一，估计也有工作要做，因为是嵌入式嘛。。。）

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小结：

Linux 文件系统如下：

下面主要讨论基于Flash的文件系统：

在嵌入式Linux应用中，主要的存储设备为RAM(DRAM, SDRAM)和ROM(常采用FLASH存储器)，常用的基于存储设备的文件系统类型包括：jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs等。

FLASH重要特性：写操作只能把对应位置1变0，而删除才能0变1，并且是整块（block）的删。（期待进一步分析工作原理）。

闪存主要就是NAND和NOR。FLASH擦写次数有限，NAND闪存还有特殊的硬件接口和读写时序，所以要针对FLASH的硬件特性进行文件系统的设计，传统的ext2等用在Flash会有诸多弊端（具体是？。。）

如图，MTD是一主要设备，为上下提供抽象接口。So：Flash文件系统基于MTD驱动层。使用MTD驱动程序的主要优点在于，它是专门针对各种非易失性存储器(以闪存为主)而设计的，因而它对Flash有更好的支持、管理和基于扇区的擦除、读/写操作接口。

有意思的特性：FLASH芯片既可以一分多（分区），分别用不同的文件系统；也可以多合一（分区），采用一个文件系统。即文件系统是针对于存储器分区而言的，而非存储芯片。

JFFS2：Journalling Flash File System v2 ,第二版的JFFS，也可能有JFFS3，blabla....主要是给NOR FLASH。jffsx不适合用于NAND闪存主要是因为NAND闪存的容量一般较大，这样导致jffs为维护日志节点所占用的内存空间迅速增大，另外，jffsx文件系统在挂载时需要扫描整个FLASH的内容，以找出所有的日志节点，建立文件结构，对于大容量的NAND闪存会耗费大量时间。

YAFFS/YAFFS2：Yet Another Flash File System。专为NAND设计的日志型文件系统

　yaffs/yaffs2是专为嵌入式系统使用NAND型闪存而设计的一种日志型文件系统。与jffs2相比，它减少了一些功能(例如不支持数据压缩)，所以速度更快，挂载时间很短，对内存的占用较小。另外，它还是跨平台的文件系统，除了Linux和eCos，还支持WinCE, pSOS和ThreadX等。

　　yaffs/yaffs2自带NAND芯片的驱动，并且为嵌入式系统提供了直接访问文件系统的API，用户可以不使用Linux中的MTD与VFS，直接对文件系统操作。当然，yaffs也可与MTD驱动程序配合使用。

　　yaffs与yaffs2的主要区别在于，前者仅支持小页(512 Bytes) NAND闪存，后者则可支持大页(2KB) NAND闪存。同时，yaffs2在内存空间占用、垃圾回收速度、读/写速度等方面均有大幅提升。

 Cramfs：Compressed RAM File System

Linus参与开发，也基于MTD。

Cramfs文件系统以压缩方式存储，在运行时解压缩，所以不支持应用程序以XIP方式运行，所有的应用程序要求被拷到RAM里去运行，但这并不代表比Ramfs需求的RAM空间要大一点，因为Cramfs是采用分页压缩的方式存放档案，在读取档案时，不会一下子就耗用过多的内存空间，只针对目前实际读取的部分分配内存，尚没有读取的部分不分配内存空间，当我们读取的档案不在内存时，Cramfs文件系统自动计算压缩后的资料所存的位置，再即时解压缩到RAM中。

　　另外，它的速度快，效率高，其只读的特点有利于保护文件系统免受破坏，提高了系统的可靠性。

　　由于以上特性，Cramfs在嵌入式系统中应用广泛。

　　但是它的只读属性同时又是它的一大缺陷，使得用户无法对其内容对进扩充。

　　Cramfs映像通常是放在Flash中，但是也能放在别的文件系统里，使用loopback 设备可以把它安装别的文件系统里。

Romfs

　　传统型的Romfs文件系统是一种简单的、紧凑的、只读的文件系统，不支持动态擦写保存，按顺序存放数据，因而支持应用程序以XIP(eXecute In Place，片内运行)方式运行，在系统运行时，节省RAM空间。uClinux系统通常采用Romfs文件系统。

　　其他文件系统：fat/fat32也可用于实际嵌入式系统的扩展存储器(例如PDA, Smartphone, 数码相机等的SD卡)，这主要是为了更好的与最流行的Windows桌面操作系统相兼容。ext2也可以作为嵌入式Linux的文件系统，不过将它用于FLASH闪存会有诸多弊端。

Other(Flash以外):

基于RAM的文件系统

　　(1) Ramdisk

　　Ramdisk是将一部分固定大小的内存当作分区来使用。它并非一个实际的文件系统，而是一种将实际的文件系统装入内存的机制，并且可以作为根文件系统。将一些经常被访问而又不会更改的文件(如只读的根文件系统)通过Ramdisk放在内存中，可以明显地提高系统的性能。

　　在Linux的启动阶段，initrd提供了一套机制，可以将内核映像和根文件系统一起载入内存。

　　(2)ramfs/tmpfs

　　Ramfs是Linus Torvalds开发的一种基于内存的文件系统，工作于虚拟文件系统(VFS)层，不能格式化，可以创建多个，在创建时可以指定其最大能使用的内存大小。(实际上，VFS本质上可看成一种内存文件系统，它统一了文件在内核中的表示方式，并对磁盘文件系统进行缓冲。)

　　Ramfs/tmpfs文件系统把所有的文件都放在RAM中，所以读/写操作发生在RAM中，可以用ramfs/tmpfs来存储一些临时性或经常要修改的数据，例如/tmp和/var目录，这样既避免了对Flash存储器的读写损耗，也提高了数据读写速度。

　　Ramfs/tmpfs相对于传统的Ramdisk的不同之处主要在于：不能格式化，文件系统大小可随所含文件内容大小变化。

　　Tmpfs的一个缺点是当系统重新引导时会丢失所有数据。

网络文件系统NFS (Network File System)

　　NFS是由Sun开发并发展起来的一项在不同机器、不同操作系统之间通过网络共享文件的技术。在嵌入式Linux系统的开发调试阶段，可以利用该技术在主机上建立基于NFS的根文件系统，挂载到嵌入式设备，可以很方便地修改根文件系统的内容。

　　以上讨论的都是基于存储设备的文件系统(memory-based file system)，它们都可用作Linux的根文件系统。实际上，Linux还支持逻辑的或伪文件系统(logical or pseudo file system)，例如procfs(proc文件系统)，用于获取系统信息，以及devfs(设备文件系统)和sysfs，用于维护设备文件

Q:PFTL.ko属于内核模块，在图中处于什么位置合适呢？记得是编译到MTD下了。

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其他嵌入式基础知识（持续更新。。。。）：

日志型文件系统：

NAND FLASH到此告一小段，先继续看两页《Understanding the Linux Kernel(3rd Edition)》（《深入理解Linux内核》，我看是渗入）

上次上课老师说的“两种模式”原来是对的，我们说用户态和核心态，其实原文就是是模式（mode）

非特权用户模式unprivileged User Mode和特权内核模式privileged Kernel Mode

前者进入后者的唯一两种途径就是中断（Interrupts）和异常（Exceptions）_看来计算机组成原理要被复习一遍。

然后，一些小常识和细节——各种专业名词，各种英语，此书主要用80*86芯片，linux2.6.11，“因为代码太多，我们不可能都列出来，我们只选择有代表性的”。

各种ARM系列，还有THUMB指令集与ARM指令集，在这空中楼阁太枯燥了，等需要接触的时候查询吧。

初期只能零散学了，先积累点基础知识，对什么都有点印象，后边免得硬啃太慢太枯燥。

接下来的计划是找一找linux内核和驱动的相关文章，快速入门一下。