基于VxWorks的三星 NAND FLASH驅動程序設計
西南林學院 張晴暉 李俊萩
摘要： 在VxWorks實現上，涉及文件系統的文章不少，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實現文件系統的具體辦法。
Abstract：
Key words :
隨著電子技術的不斷發展，計算機技術也得到飛速的發展，產生了很多新技術。但就計算機的基本結構來說，還是基本采用了馮·諾依曼結構。然而馮·諾依曼結構的一個中心點就是存儲一控制，所以存儲器在計算機系統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，對執行速度和系統可靠性都有較強的要求，這也決定了嵌入式系統不僅要有實時性很強的操作系統，同時也需要一種安全、快速的存儲設備。同時，嵌入式系統經常會涉及到海量數據的存儲，這就要求存儲設備必須具有可靠性高，功耗低，容量大，掉電數據不丟失等特點，而NAND FLASH芯片正好具有這些優點。
VxWorks是嵌入式領域內公認的最有特色的高性能實時操作系統之一。它以其良好的可靠性和卓越的實時性，被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中，如衛星通信、軍事演習、彈道制導、飛機導航等。
目前，在VxWorks實現上，涉及文件系統的文章不少，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實現文件系統的具體辦法。
1 三星NAND FLASH芯片K9F2G08QOM
K9F2G08QOM芯片的容量為256 M×8 b="2" Gb的數據區，再加上64 Mb的備用區。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的數據區加上64 B的備用區組成。如圖1所示，列地址為12 b(A11～A0)。當A12為0時，A10～A0確定對每頁中2 KP；數據的訪問；當A12為1時，訪問的是64 B的備用區。由于NANDFLASH芯片在出廠時就可能出現壞塊(塊中的某個或多個bit不能有效的進行讀寫)，為了將其標注出來，三星公司保證每個壞塊的第一頁和第二頁備用區第一個byte的數據沒有被初始化為0xFF。設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，其地址和數據信息共享8個I／O管腳，因此，其29 B的地址信息被設計為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的命令字，然后送地址，以及相應的數據，最后送確認字。需要說明的是，由于地址、命令和數據都共用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；在傳輸地址的時候，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的數據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，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。根據前面對K9F2G08Q0M的介紹可知，對NAND FLASH的操作需要在硬件上產生ALE，CLE信號來區分傳輸類型。NDFC給程序設計人員提供兩種實現時序的方法：硬件實現，軟件實現。如果是前者， NDFC提供了幾個寄存器：命令寄存器、地址寄存器、數據寄存器、配置寄存器和狀態寄存器。通過對這幾個寄存器執行相應的讀／寫操作就可以產生相應的時序。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。而軟件實現方法是根據K9F2G08Q0M的時序要求，通過對硬件控制寄存器中相應的bit寫1或者0，使得對應的控制信號為高電平或者低電平。設計人員可以根據自己的情況，選擇實現方法。這里推薦采用硬件實現的方法。不過，在有問題時，可采用軟件實現的方法來進行調試。
3 TrueFFS簡介
TureFFS(Ture Flash File System)是M-Systems公司為VxWorks操作系統定制的實現FLASH塊設備的接口。通過使用TFFS，應用程序對FLASH的讀寫就像對擁有MS-DOS文件系統的磁盤設備操作一樣。對于上層設計人員，TFFS屏蔽了底層多種多樣FLASH設備的具體細節。同時，由于FLASH存儲芯片自身的一些特性(如擦除、編程次數有限并且操作時間較長；容易進入過度編程狀態等)，TFFS采用虛擬塊、損耗均衡、碎片回收、錯誤恢復等機制來提高 FLASH的使用壽命，確保數據完整，優化性能。
4 TrueFFS的實現
4．1 TrueFFS的基本結構
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，其結構框圖如圖2所示。
(1)交互功能。它包含了控制FLASH映射到塊、wear-lev-eling、碎片回收和數據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介質是采用NOR-based，還是NAND-based，或者SSFDC-based技術而定。
(2)MTD(Memory Technology Driver)層實現具體的FLASH芯片底層程序設計，包括讀、寫、擦、ID識別、映射等功能，以及一些與FLASH芯片相關的參數設置。
(3)Socket層提供了TrueFFS和硬件之間的接口服務，負責電源管理、檢測設備插拔、硬件寫保護、窗口管理和向系統注冊Socket等；
(4)核心層將其他3層有機結合起來，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計人員的，因此實現TFFS的主要工作集中在對MTD層和Socket層的設計上。
4．2 Socket層的實現
如果VxWorks中包含TFFS，在系統啟動后，先完成內核的初始化，之后開始進行I/O的初始化操作。系統調用UsrRoot()函數，該函數再調用 tffsDrv()函數，這樣就產生如圖3所示的調用流程。調用這些函數的目的之一就是注冊socket驅動函數。最后的注冊操作都是由 xxxRegister()函數完成(這個函數和sysTff-sInit()函數的定義都在sysTffs．c中)的。該函數是通過更新 FLSocket結構體來完成注冊操作的。該結構體的定義以及相關細節可以通過閱讀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，設計人員可以復制其中一個到自己的BSP目錄下。例如：復制wrPpmc440gp目錄下的sysTffs．c文件，再根據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層驅動程序的實現
要創建一個TFFS塊設備，首先應該調用函數tffsDevCreate()，這樣就產生了如圖4所示的一系列的調用函數。系統通過這一系列的調用函數來確認具體的MTD層程序。確認過程在flIdentifyFlash()函數中完成。flIdentifyFlash()通過逐個執行 xxxIdentify()表中的程序來確定合適的MTD。如果系統只有一種FLASH，則只需寫一個Identify()函數可。與Socket層類似，MTD層的核心工作也是針對一個數據結構(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，具體的實現是在函數 xxxldentify()中完成的。
根據前面的介紹知道，MTD層的主要功能是實現對FLASH芯片的讀、寫、擦、ID識別、映射等操作。而對不同FLASH芯片的相應操作是有一定差別的，所以使用不同的FLASH芯片時，MTD層的程序設計也是不一樣的。開發人員的工作是根據系統使用的具體FLASH芯片來完成相應的程序設計。
Tornado提供了幾種FLASH的TrueFFS MTD層驅動的參考設計。在installDir＼target＼src＼drv＼tffs中，主要包括Intel，AMD等公司的幾種FLASH的 TrueFFS MTD層驅動。雖然沒有需要的K9F2G08驅動程序，但可以根據其結構來設計自己的MTD程序。具體做法是在BSP目錄下建立一個MTD層驅動文件，將其取名為K9F2G08Mtd．C。在該文件中首先編寫函數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nandMTDIdentify()中引用的readFlashID()，nand-MTDRead()。 nandMTDWrite()，nandMTDErase()，nandMTDMap()這幾個函數的代碼編寫。由于不同的FLASH芯片，時序不同，因此這幾個函數的實現也不同。必須根據芯片K9F2G08的數據手冊上時序的要求，對PPC440epx的相應寄存器進行讀／寫操作，以完成這些功能。由于篇幅原因，這幾個函數的具體代碼就不再贅述。建議在Boot Loader工作正常后，先在應用程序中對這些函數進行調試。這樣就可以利用單步和斷點等工具進行調試，并且在修改后可立即通過網絡下載程序。
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文件驅動程序加入系統。另外，還要在tffsConfig．c文件中的mtdTable[]表中添加上述的函數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構成的硬件平臺上和VxWorks軟件平臺上，實現TrueFFS。按照上述設計流程，實現了NAND FLASH的驅動程序設計。能夠對K9F2G08進行正常的讀、寫、擦、ID識別、映射等操作。同時，在VxWorks操作系統上，實現了 TrueFFS。這樣就提高FLASH使用壽命，確保數據完整，優化了FLAsH的性能。以此為基礎的系統在某機載設備上得到成功運用。
來源：現代電子技術
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