Linux MTD系统剖析

MTD，Memory Technology Device即内存技术设备，在Linux内核中，引入MTD层为NOR FLASH和NAND FLASH设备提供统一接口。MTD将文件系统与底层FLASH存储器进行了隔离。

如上图所示，MTD设备通常可分为四层，从上到下依次是：设备节点、MTD设备层、MTD原始设备层、硬件驱动层。

Flash硬件驱动层：Flash硬件驱动层负责对Flash硬件的读、写和擦除操作。MTD设备的Nand Flash芯片的驱动则drivers/mtd/nand/子目录下,Nor Flash芯片驱动位于drivers/mtd/chips/子目录下。

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

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）。其中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。

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）。通过访问此设备节点即可访问MTD字符设备和块设备 

MTD数据结构：

1.Linux内核使用mtd_info结构体表示MTD原始设备，这其中定义了大量关于MTD的数据和操作函数（后面将会看到），所有的mtd_info结构体存放在mtd_table结构体数据里。在/drivers/mtd/mtdcore.c里：

struct mtd_info *mtd_table[MAX_MTD_DEVICES];

2.Linux内核使用mtd_part结构体表示分区，其中mtd_info结构体成员用于描述该分区，大部分成员由其主分区mtd_part->master决定，各种函数也指向主分区的相应函数。

struct mtd_part {struct mtd_info mtd;    /* 分区信息, 大部分由master决定 */struct mtd_info *master;/* 分区的主分区 */uint64_t offset;/* 分区的偏移地址 */int index;/* 分区号 (Linux3.0后不存在该字段) */struct list_head list;/* 将mtd_part链成一个链表mtd_partitons */int registered;};

mtd_info结构体主要成员，为了便于观察，将重要的数据放在前面，不大重要的编写在后面。

struct mtd_info {u_char type;     /* MTD类型，包括MTD_NORFLASH,MTD_NANDFLASH等(可参考mtd-abi.h) */uint32_t flags;     /* MTD属性标志，MTD_WRITEABLE,MTD_NO_ERASE等(可参考mtd-abi.h) */uint64_t size;     /* mtd设备的大小 */uint32_t erasesize; /* MTD设备的擦除单元大小，对于NandFlash来说就是Block的大小 */uint32_t writesize; /* 写大小, 对于norFlash是字节,对nandFlash为一页 */uint32_t oobsize;    /* OOB字节数 */uint32_t oobavail;   /* 可用的OOB字节数 */unsigned int erasesize_shift;/* 默认为0，不重要 */unsigned int writesize_shift;/* 默认为0，不重要 */unsigned int erasesize_mask;/* 默认为1，不重要 */unsigned int writesize_mask;/* 默认为1，不重要 */const char *name;/* 名字，   不重要*/int index;/* 索引号，不重要 */int numeraseregions;/* 通常为1 */struct mtd_erase_region_info *eraseregions;/* 可变擦除区域 */void *priv;/* 设备私有数据指针，对于NandFlash来说指nand_chip结构体 */struct module *owner;/* 一般设置为THIS_MODULE *//* 擦除函数 */int (*erase) (struct mtd_info *mtd, struct erase_info *instr);/* 读写flash函数 */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);/* 带oob读写Flash函数 */int (*read_oob) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, struct mtd_oob_ops *ops);int (*write_oob) (struct mtd_info *mtd, loff_t to, struct mtd_oob_ops *ops);int (*get_fact_prot_info) (struct mtd_info *mtd, struct otp_info *buf, size_t len);int (*read_fact_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf);int (*get_user_prot_info) (struct mtd_info *mtd, struct otp_info *buf, size_t len);int (*read_user_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf);int (*write_user_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf);int (*lock_user_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len);int (*writev) (struct mtd_info *mtd, const struct kvec *vecs, unsigned long count, loff_t to, size_t *retlen);int (*panic_write) (struct mtd_info *mtd, loff_t to, size_t len, size_t *retlen, const u_char *buf);/* Sync */void (*sync) (struct mtd_info *mtd);/* Chip-supported device locking */int (*lock) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs, uint64_t len);int (*unlock) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs, uint64_t len);/* 电源管理函数 */int (*suspend) (struct mtd_info *mtd);void (*resume) (struct mtd_info *mtd);/* 坏块管理函数 */int (*block_isbad) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs);int (*block_markbad) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs);void (*unpoint) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len);unsigned long (*get_unmapped_area) (struct mtd_info *mtd,    unsigned long len,    unsigned long offset,    unsigned long flags);struct backing_dev_info *backing_dev_info;struct notifier_block reboot_notifier;  /* default mode before reboot *//* ECC status information */struct mtd_ecc_stats ecc_stats;int subpage_sft;struct device dev;int usecount;int (*get_device) (struct mtd_info *mtd);void (*put_device) (struct mtd_info *mtd);};

mtd_info结构体中的read()、write()、read_oob()、write_oob()、erase()是MTD设备驱动要实现的主要函数，幸运的是Linux大牛已经帮我们实现了一套适合大部分FLASH设备的mtd_info成员函数。

如果MTD设备只有一个分区，那么使用下面两个函数注册和注销MTD设备。

int add_mtd_device(struct mtd_info *mtd)int del_mtd_device (struct mtd_info *mtd)

如果MTD设备存在其他分区，那么使用下面两个函数注册和注销MTD设备。

int add_mtd_partitions(struct mtd_info *master,const struct mtd_partition *parts,int nbparts)int del_mtd_partitions(struct mtd_info *master)

其中mtd_partition结构体表示分区的信息

struct mtd_partition {char *name;/* 分区名，如TQ2440_Board_uboot、TQ2440_Board_kernel、TQ2440_Board_yaffs2 */uint64_t size;/* 分区大小 */uint64_t offset;/* 分区偏移值 */uint32_t mask_flags;/* 掩码标识，不重要 */struct nand_ecclayout *ecclayout;/* OOB布局 */struct mtd_info **mtdp;/* pointer to store the MTD object */};其中nand_ecclayout结构体：struct nand_ecclayout {__u32 eccbytes;/* ECC字节数 */__u32 eccpos[64];/* ECC校验码在OOB区域存放位置 */__u32 oobavail;/* 除了ECC校验码之外可用的OOB字节数 */struct nand_oobfree oobfree[MTD_MAX_OOBFREE_ENTRIES];};

关于nand_ecclayout结构体实例，更多可参考drivers/mtd/nand/nand_base.c下的nand_oob_8、nand_oob_16、nand_oob_64实例。
MTD设备层：

mtd字符设备接口：

/drivers/mtd/mtdchar.c文件实现了MTD字符设备接口，通过它，可以直接访问Flash设备，与前面的字符驱动一样，通过file_operations结构体里面的open()、read()、write()、ioctl()可以读写Flash，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) 

mtd块设备接口：

/drivers/mtd/mtdblock.c文件实现了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。
MTD硬件驱动层：

Linux内核再MTD层下实现了通用的NAND驱动(/driver/mtd/nand/nand_base.c)，因此芯片级的NAND驱动不再需要实现mtd_info结构体中的read()、write()、read_oob()、write_oob()等成员函数。

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。

struct nand_chip {void  __iomem*IO_ADDR_R;/* 读8位I/O线地址 */void  __iomem*IO_ADDR_W;/* 写8位I/O线地址 *//* 从芯片中读一个字节 */uint8_t(*read_byte)(struct mtd_info *mtd);/* 从芯片中读一个字 */u16(*read_word)(struct mtd_info *mtd);/* 将缓冲区内容写入芯片 */void(*write_buf)(struct mtd_info *mtd, const uint8_t *buf, int len);/* 读芯片读取内容至缓冲区/ */void(*read_buf)(struct mtd_info *mtd, uint8_t *buf, int len);/* 验证芯片和写入缓冲区中的数据 */int(*verify_buf)(struct mtd_info *mtd, const uint8_t *buf, int len);/* 选中芯片 */void(*select_chip)(struct mtd_info *mtd, int chip);/* 检测是否有坏块 */int(*block_bad)(struct mtd_info *mtd, loff_t ofs, int getchip);/* 标记坏块 */int(*block_markbad)(struct mtd_info *mtd, loff_t ofs);/* 命令、地址、数据控制函数 */void(*cmd_ctrl)(struct mtd_info *mtd, int dat,unsigned int ctrl);/* 设备是否就绪 */int(*dev_ready)(struct mtd_info *mtd);/* 实现命令发送 */void(*cmdfunc)(struct mtd_info *mtd, unsigned command, int column, int page_addr);int(*waitfunc)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *this);/* 擦除命令的处理 */void(*erase_cmd)(struct mtd_info *mtd, int page);/* 扫描坏块 */int(*scan_bbt)(struct mtd_info *mtd);int(*errstat)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *this, int state, int status, int page);/* 写一页 */int(*write_page)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *chip,      const uint8_t *buf, int page, int cached, int raw);intchip_delay;/* 由板决定的延迟时间 *//* 与具体的NAND芯片相关的一些选项，如NAND_NO_AUTOINCR，NAND_BUSWIDTH_16等 */unsigned intoptions;/* 用位表示的NAND芯片的page大小，如某片NAND芯片 * 的一个page有512个字节，那么page_shift就是9  */int page_shift;/* 用位表示的NAND芯片的每次可擦除的大小，如某片NAND芯片每次可 * 擦除16K字节(通常就是一个block的大小)，那么phys_erase_shift就是14 */int phys_erase_shift;/* 用位表示的bad block table的大小，通常一个bbt占用一个block， * 所以bbt_erase_shift通常与phys_erase_shift相等  */int bbt_erase_shift;/* 用位表示的NAND芯片的容量 */int chip_shift;/* NADN FLASH芯片的数量 */int numchips;/* NAND芯片的大小 */uint64_t chipsize;int pagemask;int pagebuf;int subpagesize;uint8_t cellinfo;int badblockpos;nand_state_tstate;uint8_t*oob_poi;struct nand_hw_control  *controller;struct nand_ecclayout*ecclayout;/* ECC布局 */struct nand_ecc_ctrl ecc;/* ECC校验结构体，里面有大量的函数进行ECC校验 */struct nand_buffers *buffers;struct nand_hw_control hwcontrol;struct mtd_oob_ops ops;uint8_t*bbt;struct nand_bbt_descr*bbt_td;struct nand_bbt_descr*bbt_md;struct nand_bbt_descr*badblock_pattern;void*priv;};

最后，我们来用图表的形式来总结一下，MTD设备层、MTD原始设备层、FLASH硬件驱动层之间的联系。