基于VxWorks的NAND FLASH驱动程序设计

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0 引 言　　目前，随着电子技术的不断发展，计算机技术也得到飞速的发展，产生了很多新技术。但就计算机的基本结构来说，还是基本采用了冯·诺依曼结构。然而冯·诺依曼结构的一个中心点就是存储一控制，所以存储器在计算机系统中的作用是非常重要的。嵌入式计算机作为计算机中的一个类别，对执行速度和系统可靠性都有较强的要求，这也决定了嵌入式系统不仅要有实时性很强的操作系统，同时也需要一种安全、快速的存储设备。同时，嵌入式系统经常会涉及到海量数据的存储，这就要求存储设备必须具有可靠性高，功耗低，容量大，掉电数据不丢失等特点，而NAND FLASH芯片正好具有这些优点。
　　VxWorks是嵌入式领域内公认的最有特色的高性能实时操作系统之一。它以其良好的可靠性和卓越的实时性，被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通信、军事演习、弹道制导、飞机导航等。
　　目前，在VxWorks实现上，涉及文件系统的文章不少，但一般都是针对容量较小，操作相对简单的NORFLASH实现的。本文讨论了如何在以AMCC公司的Power PC芯片PPC440epx为核心的嵌入式平台上，利用三星公司的大容量NAND FLASH实现文件系统的具体办法。
　　1 三星NAND FLASH芯片K9F2G08QOM
　　K9F2G08QOM芯片的容量为256 M×8 b="2" Gb的数据区，再加上64 Mb的备用区。一块这种芯片被分为2 048个块，每个块又分为64页，每页由2 KB的数据区加上64 B的备用区组成。如图1所示，列地址为12 b(A11～A0)。当A12为0时，A10～A0确定对每页中2 KP；数据的访问；当A12为1时，访问的是64 B的备用区。由于NANDFLASH芯片在出厂时就可能出现坏块(块中的某个或多个bit不能有效的进行读写)，为了将其标注出来，三星公司保证每个坏块的第一页和第二页备用区第一个byte的数据没有被初始化为0xFF。设计人员要确保在对该芯片进行擦除之前，先将这个信息保留起来(建一个坏块表)。行地址为17 b(A28～A12)。它确定了对2 048块×64页=128 K个页中的某一页进行访问。为了简化NAND FLASH芯片的管脚，其地址和数据信息共享8个I／O管脚，因此，其29 B的地址信息被设计为5个周期进行传输。具体操作如表1所示。

　　注：起始地址是列地址；L表示必须置为低电平
　　对NAND FLASH的操作流程比较简单，即在第一个周期里送操作相关的命令字，然后送地址，以及相应的数据，最后送确认字。需要说明的是，由于地址、命令和数据都共用8个I／O管脚来进行传输，因此在硬件上必须要有专用的管脚来区分传输类型(在传输命令的时候，命令锁存使能信号CLE有效；在传输地址的时候，地址锁存使能信号ALE有效)。具体的命令字、时序和操作流程在K9F2G08Q0M的数据手册上有较详细的描述，在此不一一详述。
　　2 PPC440epx的NAND FLASH接口
　　AMCC公司的PPC440epx芯片是一款性能指标较高的嵌入式CPU芯片，其主频可以达到667 MHz，拥有DDR2接口，可支持千兆以太网，USB 2．0接口，支持浮点运算，同时还支持NAND FLASH芯片。
　　PPC440epx使用一个NAND FLASH Controller作为外部NAND FLASH与其外部总线通信的接口电路，该控制器最多可以支持4个NAND FLASH芯片，每个芯片的容量可以为4～256 MB，每页的大小可以为512 B+16 B或者2 KB+64 B。NDFC(NANDFLASH Controller)的存在使得对NAND FLASH的操作变的非常简单。根据前面对K9F2G08Q0M的介绍可知，对NAND FLASH的操作需要在硬件上产生ALE，CLE信号来区分传输类型。NDFC给程序设计人员提供两种实现时序的方法：硬件实现，软件实现。如果是前者， NDFC提供了几个寄存器：命令寄存器、地址寄存器、数据寄存器、配置寄存器和状态寄存器。通过对这几个寄存器执行相应的读／写操作就可以产生相应的时序。例如，如果需要对NAND FLASH写命令字80H，则只需将80H写人命令寄存器即可。NDFC自动将80H送到I／O7～I／O0上，同时置CLE为有效状态。而软件实现方法是根据K9F2G08Q0M的时序要求，通过对硬件控制寄存器中相应的bit写1或者0，使得对应的控制信号为高电平或者低电平。设计人员可以根据自己的情况，选择实现方法。这里推荐采用硬件实现的方法。不过，在有问题时，可采用软件实现的方法来进行调试。
　　3 TrueFFS简介
　　TureFFS(Ture Flash File System)是M-Systems公司为VxWorks操作系统定制的实现FLASH块设备的接口。通过使用TFFS，应用程序对FLASH的读写就像对拥有MS-DOS文件系统的磁盘设备操作一样。对于上层设计人员，TFFS屏蔽了底层多种多样FLASH设备的具体细节。同时，由于FLASH存储芯片自身的一些特性(如擦除、编程次数有限并且操作时间较长；容易进入过度编程状态等)，TFFS采用虚拟块、损耗均衡、碎片回收、错误恢复等机制来提高 FLASH的使用寿命，确保数据完整，优化性能。
　4 TrueFFS的实现　　4．1 TrueFFS的基本结构
　　TrueFFS由1个核心层和3个功能层组成，它们是翻译层(Translation Layer)、MTD(Memory Tech-nology Drivers Layer)层和Socket层，其结构框图如图2所示。

　　(1)交互功能。它包含了控制FLASH映射到块、wear-lev-eling、碎片回收和数据完整性所需的智能化处理功能。目前，有三种不同的翻译层模块可供选择。选择哪一种层需要看所用的FLASH介质是采用NOR-based，还是NAND-based，或者SSFDC-based技术而定。
　　(2)MTD(Memory Technology Driver)层实现具体的FLASH芯片底层程序设计，包括读、写、擦、ID识别、映射等功能，以及一些与FLASH芯片相关的参数设置。
　　(3)Socket层提供了TrueFFS和硬件之间的接口服务，负责电源管理、检测设备插拔、硬件写保护、窗口管理和向系统注册Socket等；
　　(4)核心层将其他3层有机结合起来，另外还处理全局问题，如信号量、碎片回收、计时器和其他系统资源等。
　　在VxWorks中，由于翻译层和核心层以二进制形式提供给设计人员的，因此实现TFFS的主要工作集中在对MTD层和Socket层的设计上。
　　4．2 Socket层的实现
　　如果VxWorks中包含TFFS，在系统启动后，先完成内核的初始化，之后开始进行I/O的初始化操作。系统调用UsrRoot()函数，该函数再调用 tffsDrv()函数，这样就产生如图3所示的调用流程。调用这些函数的目的之一就是注册socket驱动函数。最后的注册操作都是由 xxxRegister()函数完成(这个函数和sysTff-sInit()函数的定义都在sysTffs．c中)的。该函数是通过更新 FLSocket结构体来完成注册操作的。该结构体的定义以及相关细节可以通过阅读VxWorks的帮助文件获得，在此不详述。

　　sysTffs．C文件的编写，可以参考其他的BSP来完成。config目录下的任何一个BSP都有该文件，设计人员可以复制其中一个到自己的BSP目录下。例如：复制wrPpmc440gp目录下的sysTffs．c文件，再根据自己的硬件电路修改FLASH BASE ADRS以及FLASHSIZE的宏定义，同时添加宏定义：#define INCLUDE_MTD_NAND。其他地方一般不需要改动。
　　4．3 MTD层驱动程序的实现
　　要创建一个TFFS块设备，首先应该调用函数tffsDevCreate()，这样就产生了如图4所示的一系列的调用函数。系统通过这一系列的调用函数来确认具体的MTD层程序。确认过程在flIdentifyFlash()函数中完成。flIdentifyFlash()通过逐个执行 xxxIdentify()表中的程序来确定合适的MTD。如果系统只有一种FLASH，则只需写一个Identify()函数可。与Socket层类似，MTD层的核心工作也是针对一个数据结构(FLFLASH)而进行的初始化操作。通过初始化操作来注册FLASH芯片的处理函数，具体的实现是在函数 xxxldentify()中完成的。

　　根据前面的介绍知道，MTD层的主要功能是实现对FLASH芯片的读、写、擦、ID识别、映射等操作。而对不同FLASH芯片的相应操作是有一定差别的，所以使用不同的FLASH芯片时，MTD层的程序设计也是不一样的。开发人员的工作是根据系统使用的具体FLASH芯片来完成相应的程序设计。
　　Tornado提供了几种FLASH的TrueFFS MTD层驱动的参考设计。在installDir＼target＼src＼drv＼tffs中，主要包括Intel，AMD等公司的几种FLASH的 TrueFFS MTD层驱动。虽然没有需要的K9F2G08驱动程序，但可以根据其结构来设计自己的MTD程序。具体做法是在BSP目录下建立一个MTD层驱动文件，将其取名为K9F2G08Mtd．C。在该文件中首先编写函数nandMTDIdentify()，如下所示为程序片段：

　　完成上述代码后，剩下的工作就是完成在函数nandMTDIdentify()中引用的readFlashID()，nand-MTDRead()。 nandMTDWrite()，nandMTDErase()，nandMTDMap()这几个函数的代码编写。由于不同的FLASH芯片，时序不同，因此这几个函数的实现也不同。必须根据芯片K9F2G08的数据手册上时序的要求，对PPC440epx的相应寄存器进行读／写操作，以完成这些功能。由于篇幅原因，这几个函数的具体代码就不再赘述。建议在Boot Loader工作正常后，先在应用程序中对这些函数进行调试。这样就可以利用单步和断点等工具进行调试，并且在修改后可立即通过网络下载程序。
　　4．4 TrueFFS的配置
　　在完成上述代码的编写后，还要做如下工作：在配置文件config．h中增加定义INCLUDE_TFFS和IN-CLUDE_DOSFS，使得 TrueFFS组件和DOS文件系统被包含进来。并且要在MakeFile文件MACH_EXTRA一项中添加K9F2G08Mtd．o，这样可将 TureFFS文件驱动程序加入系统。另外，还要在tffsConfig．c文件中的mtdTable[]表中添加上述的函数nandMTDI- dentify。
　　5 结 语
　　在此介绍如何在由AMCC公司的CPU芯片PPC440epx、三星公司的NAND FLASH构成的硬件平台上和VxWorks软件平台上，实现TrueFFS。按照上述设计流程，实现了NAND FLASH的驱动程序设计。能够对K9F2G08进行正常的读、写、擦、ID识别、映射等操作。同时，在VxWorks操作系统上，实现了 TrueFFS。这样就提高FLASH使用寿命，确保数据完整，优化了FLAsH的性能。以此为基础的系统在某机载设备上得到成功运用。