引 言

隨著嵌入式系統(tǒng)的迅速發(fā)展，其應用環(huán)境的廣泛性，復雜性對構建于系統(tǒng)上的Nor和Nand閃存設備提出更高要求，需要閃存設備傳輸速度更快，體積更小，容量更大，穩(wěn)定性更好。Flash 是一種創(chuàng)作工具，設計人員和開發(fā)人員可使用它來創(chuàng)建演示文稿、應用程序和其它允許用戶交互的內容。FLASH 可以包含簡單的動畫、視頻內容、復雜演示文稿和應用程序以及介于它們之間的任何內容。通常，使用 Flash 創(chuàng)作的各個內容單元稱為應用程序，即使它們可能只是很簡單的動畫。您也可以通過添加圖片、聲音、視頻和特殊效果，構建包含豐富媒體的 Flash 應用程序。Flash 特別適用于創(chuàng)建通過 Internet 提供的內容，因為它的文件非常小。Flash 是通過廣泛使用矢量圖形做到這一點的。與位圖圖形相比，矢量圖形需要的內存和存儲空間小很多，因為它們是以數(shù)學公式而不是大型數(shù)據(jù)集來表示的。位圖圖形之所以更大，是因為圖像中的每個像素都需要一組單獨的數(shù)據(jù)來表示。

1 NandFLASH和NandFLASH對比

隨著存儲技術的高速發(fā)展，閃存設備因其在性能和成本方面的優(yōu)勢，可擦除性以及更低廉的價格正逐步取代傳統(tǒng)記憶體。它們的技術性能差異顯著，表1是它們的技術對比。

NorFLASH是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術。Intel于1988年首先開發(fā)出NOR Flash 技術，徹底改變了原先由EPROM（Electrically Programmable Read-Only-Memory電可編程序只讀存儲器）和EEPROM（電可擦只讀存儲器Electrically Erasable Programmable Read - Only Memory）一統(tǒng)天下的局面。緊接著，1989年，東芝公司發(fā)表了NAND Flash 結構，強調降低每比特的成本，有更高的性能，并且像磁盤一樣可以通過接口輕松升級。NOR Flash 的特點是芯片內執(zhí)行（XIP ，eXecute In Place），這樣應用程序可以直接在Flash閃存內運行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR 的傳輸效率很高，在1~4MB的小容量時具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響到它的性能。NAND的結構能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快。應用NAND的困難在于Flash的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口。

NorFLASH使用方便，易于連接，可以在芯片上直接運行代碼，穩(wěn)定性出色，傳輸速率高，在小容量時有很高的性價比，這使其很適合應于嵌入式系統(tǒng)中作為 FLASH ROM。相對于NorFLASH，NandFLASH強調更高的性能，更低的成本，更小的體積，更長的使用壽命。

然而FLASH閃存卻是保證數(shù)據(jù)正確性不太理想的設備，應用中可能出現(xiàn)壞塊；這就給其在嵌入式系統(tǒng)中的應用，如何更好地進行數(shù)據(jù)存儲管理提出了更高要求。恰當?shù)慕涌谠O計和驅動開發(fā)是解決問題的關鍵。

2 FLASH接口設計

2.1 處理器內存分配情況

在分析FLASH的接口以及工作模式前，先分析處理器的內存分配情況。內核ARM920T是32位處理器，尋址空間4 GB，3 GB被處理器內部的寄存器和一些其他設備占用，只有1 GB用于外部尋址；這1 GB的空間S3C2410分為8個部分以支持不同的設備，每個空間為128 Mb，被命名為BANK。S3C2410給每個BANK一個片選即nGCS0～nGCS7來方便對BANK的操作，將CPU上相應的BANK連線接到外設芯片的片選引腳上就可以根據(jù)相應的地址對存儲器進行控制。

2.2 FLASH在系統(tǒng)中的架構

FLASH模塊通過系統(tǒng)總線與處理器相連，如圖1所示。

隨著深亞微米工藝技術日益成熟，集成電路芯片的規(guī)模越來越大。數(shù)字IC從基于時序驅動的設計方法，發(fā)展到基于IP復用的設計方法，并在SOC設計中得到了廣泛應用。在基于IP復用的SoC（System on Chip的縮寫，稱為系統(tǒng)級芯片，也有稱片上系統(tǒng)）設計中，片上總線設計是最關鍵的問題。為此，業(yè)界出現(xiàn)了很多片上總線標準。其中，由ARM公司推出的AMBA片上總線受到了廣大IP開發(fā)商和SoC系統(tǒng)集成者的青睞，已成為一種流行的工業(yè)標準片上結構。AMBA規(guī)范主要包括了AHB（Advanced High performance Bus）系統(tǒng)總線和APB（Advanced Peripheral Bus）外圍總線。為了擁有高速的數(shù)據(jù)交換通道，F(xiàn)LASH經(jīng)由控制器模塊通過AHB總線與處理器通信。NandFLASH控制器、NorFLASH控制器和DMA控制器都是高速總線AHB上的Master模塊，都包含符合AMBA標準的總線接口模塊與AHB交互工作。

2.3 NorFLASH的接口設計

系統(tǒng)用的NorFLASH芯片是Atmel公司開發(fā)的AT49BV1614A，存儲空間為16 MB，在系統(tǒng)中常用于存放代碼，系統(tǒng)上電或復位后獲得指令開始執(zhí)行，因此，應將其配置到Bank0，將AT49BV1614A的片選端nCE接至 S3C2410的nGCS0；AT49BVl614A的輸出使能端nOE接S3C2410的nOE；寫使能端nWE接S3C2410的nWBE0；將模式選擇nBYTE上拉，使AT49BV1614A工作在 16 位數(shù)據(jù)模式。

2. 4 NorFLASH在系統(tǒng)中的具體操作

以AT49BV1614A芯片時序圖為例，具體說明NorFLASH的寫操作，如圖2所示。

CLE信號有效時系統(tǒng)通過I／O口向命令寄存器發(fā)送命令00H，此時WE為低電平，寫操作有效，NandFLASH處于寫狀態(tài)。發(fā)送命令后，接著發(fā)送要讀的地址，該操作將占用WE的1，2，3，4四個周期，發(fā)送地址信息時，CLE為低電平，ALE為高電平。地址信息發(fā)送完畢后，不能立刻讀取數(shù)據(jù)，因為此時芯片正處于BUSY（忙）狀態(tài)，需要等待2～20 ms，之后，才能開始數(shù)據(jù)讀取。

3 FLASH驅動程序開發(fā)

3.1 Linux系統(tǒng)下的驅動程序

Linux系統(tǒng)將所有的設備都看作具體的文件，通過文件系統(tǒng)對設備進行管理。所以在Linux架構中，和設備相關的處理分成兩層：文件系統(tǒng)層和設備驅動層。設備驅動層用來屏蔽具體設備的細節(jié)，文件系統(tǒng)層向用戶提供一組統(tǒng)一的接口。這種設備管理方法可以很好的實現(xiàn)設備無關性，使Linux系統(tǒng)可以隨著外部設備的發(fā)展進行擴展。

Linux系統(tǒng)里將FLASH設備歸屬到MTD設備下管理，相對于常規(guī)塊設備驅動程序，MTD設備驅動程序能更好的支持和管理閃存。具體講，基于MTD的 FLAsH驅動程序，對上層可以很好的支持JFFS（針對NorFLASH）和YAFFS（針對NandFLASH）等文件系統(tǒng)，對下層FLASH的讀寫，擦除，壞塊處理都能進行很好的管理，它在硬件設備和上層文件系統(tǒng)間提供一個抽象接口。

3.2 FLASH驅動程序開發(fā)流程

FLASH驅動程序有兩種編程方式。一種是直接編程進內核（Kernel），另一種是編程成模塊（Modules），如果編程進內核，會增加內核的大小，還要改動內核源文件，不能動態(tài)卸載，不利于調試。

FLASH驅動開發(fā)流程要經(jīng)過四步：模塊化設計，編譯，加載，調用驗證。如圖4所示。

3.2.1 驅動程序的模塊化設計

構成FLASH驅動程序的所有子程序，要進行模塊化設計，必須加入兩個函數(shù)：入口函數(shù)module init（）和出口函數(shù)module_exit（）。在執(zhí)行程序時module_init（）會調用int_init cfi probe_init（void），負責初始化MTD芯片，同時這個函數(shù)還調用register_mtd_chip_driver（），將cfi_chipdrv加入至 MTD驅動器列表chip_drvs_list中。初始化成功返回0，否則返回負值。實現(xiàn)代碼為：

另一個函數(shù)module_exit（）執(zhí)行時，會調用staticvoid_exit cfi_probe_exit（void），負責清除MTD芯片驅動工作。同時這個函數(shù)還調用unregister_mtd_chip_driver（），將cfi_chipdrv從MTD芯片驅動器列表chip_drvs_list中刪除。實現(xiàn)代碼為：

其中：-O指定代碼優(yōu)化的級別；-D內核模塊必須按照特殊定義的參數(shù)進行編譯，這些參數(shù)跟在選項-D后；MODULE通知頭文件要給出適當?shù)膬群四K定義；-KERNEL-通知頭文件形成的目標代碼在內核態(tài)運行。得到的文件*.O就是一個FLASH驅動程序的目標文件，這樣FLAsH驅動程序編譯好。

3.2.3 驅動程序的加載

加載模塊要用到兩個命令：insmod（加載），rmmod（卸載）。加載時，module_init（）函數(shù)被調用，這個函數(shù)向系統(tǒng)設備表登記 FLAsH設備。卸載時，module_exit（）函數(shù)被調用，它釋放FLASH設備在系統(tǒng)設備表中占有的表項。注冊成功后就可以用mknod命令將 FLASH設備映射為一個特別文件，其他程序使用FLASH設備時，只要對此文件進行操作就行。Linux在／dev目錄中為每個設備建立了一個文件，用 ls-1命令列出函數(shù)返回值，若小于O，表示注冊失?。环駝t表示注冊成功。注冊以后，Linux將FLAsH設備名與主、次設備號聯(lián)系起來。當對 FLASH訪問時，Linux通過請求訪問FLASH設備名得到主、次設備號；然后把此訪問發(fā)送到FLASH設備驅動，F(xiàn)LASH驅動再根據(jù)次設備號調用不同的函數(shù)。

3.2.4 驅動程序的調用驗證

模塊加載到內核后，然后就要調用驗證。在Linux根目錄下有dev子目錄，這里面是節(jié)點名，這些結點是通過mknod建立的，里面有MTD字符設備節(jié)點和MTD塊設備節(jié)點，通過訪問這些節(jié)點來訪問設備驅動程序。Open一般是設備節(jié)點上的第一個操作，訪問設備時其實就是系統(tǒng)調用open（）函數(shù)，然后 open（）函數(shù)打開設備準備進行I／O操作，該函數(shù)注冊進mtd_fops結構中。

上面就是NorFLASH和NandFLASH驅動程序架構，具體開發(fā)驅動程序時，就要填充架構里的程序代碼，來完成驅動程序。這個框架中有一個函數(shù)表，具體到Linux系統(tǒng)里，需要提供一個結構來向系統(tǒng)說明FLASH驅動程序所提供的一組入口點，這個結構就是fop函數(shù)表。

FLASH驅動程序運行時，向內核注冊，告訴系統(tǒng)fop函數(shù)表是跟FLASH驅動程序相關聯(lián)的。當用戶去訪問驅動程序時，系統(tǒng)就告訴文件系統(tǒng)的管理程序，調用fop函數(shù)表就可以，然后調用函數(shù)表里的函數(shù)，完成用戶要求。當從設備來收發(fā)數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)不是調用read（），write（）這兩個函數(shù)，fop結構里沒這兩個函數(shù)，而是要用到一個函數(shù)blk_init_queue（），這個函數(shù)向上注冊了一個請求處理函數(shù)request，對FLASH設備的讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)，都是從請求隊列發(fā)出一個請求，請求調用請求處理函數(shù)，由請求處理函數(shù)執(zhí)行具體的讀寫操作。

4 結 語

基于Samsung公司的s3c2410處理器平臺，分析和設計NorFLASH和NandFLASH的接口和驅動，詳細介紹兩種FLASH的硬件結構、性能差異、讀寫時序、以及驅動開發(fā)。NorFLASH和NandFLASH因其在存儲數(shù)據(jù)和程序以及性價比方面的優(yōu)勢，占據(jù)的存儲器市場份額越來越多，并在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應用。