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MTD，Memory Technology Device即內存技術設備，在Linux內核中，引入MTD層為NOR FLASH和NAND FLASH設備提供統一接口。MTD將文件系統與底層FLASH存儲器進行了隔離。

如上圖所示，MTD設備通常可分為四層，從上到下依次是：設備節點、MTD設備層、MTD原始設備層、硬件驅動層。

Flash硬件驅動層：Flash硬件驅動層負責對Flash硬件的讀、寫和擦除操作。MTD設備的Nand Flash芯片的驅動則drivers/mtd/nand/子目錄下,Nor Flash芯片驅動位於drivers/mtd/chips/子目錄下。

MTD原始設備層：用於描述MTD原始設備的數據結構是mtd_info，它定義了大量的關於MTD的數據和操作函數。其中mtdcore.c: MTD原始設備接口相關實現，mtdpart.c : MTD分區接口相關實現。

MTD設備層：基於MTD原始設備，linux系統可以定義出MTD的塊設備（主設備號31）和字符設備（設備號90）。其中mtdchar.c : MTD字符設備接口相關實現，mtdblock.c : MTD塊設備接口相關實現。

設備節點：通過mknod在/dev子目錄下建立MTD塊設備節點（主設備號為31）和MTD字符設備節點（主設備號為90）。通過訪問此設備節點即可訪問MTD字符設備和塊設備

MTD數據結構：

1.Linux內核使用mtd_info結構體表示MTD原始設備，這其中定義了大量關於MTD的數據和操作函數（後面將會看到），所有的mtd_info結構體存放在mtd_table結構體數據裏。在/drivers/mtd/mtdcore.c裏：

1. struct mtd_info *mtd_table[MAX_MTD_DEVICES];

1. struct mtd_part {
2. struct mtd_info mtd; /* 分區信息, 大部分由master決定 */
3. struct mtd_info *master; /* 分區的主分區 */
4. uint64_t offset; /* 分區的偏移地址 */
5. int index; /* 分區號 (Linux3.0後不存在該字段) */
6. struct list_head list; /* 將mtd_part鏈成一個鏈表mtd_partitons */
7. int registered;
8. };

1. struct mtd_info {
2. u_char type; /* MTD類型，包括MTD_NORFLASH,MTD_NANDFLASH等(可參考mtd-abi.h) */
3. uint32_t flags; /* MTD屬性標誌，MTD_WRITEABLE,MTD_NO_ERASE等(可參考mtd-abi.h) */
4. uint64_t size; /* mtd設備的大小 */
5. uint32_t erasesize; /* MTD設備的擦除單元大小，對於NandFlash來說就是Block的大小 */
6. uint32_t writesize; /* 寫大小, 對於norFlash是字節,對nandFlash為一頁 */
7. uint32_t oobsize; /* OOB字節數 */
8. uint32_t oobavail; /* 可用的OOB字節數 */
9. unsigned int erasesize_shift; /* 默認為0，不重要 */
10. unsigned int writesize_shift; /* 默認為0，不重要 */
11. unsigned int erasesize_mask; /* 默認為1，不重要 */
12. unsigned int writesize_mask; /* 默認為1，不重要 */
13. const char *name; /* 名字， 不重要*/
14. int index; /* 索引號，不重要 */
15. int numeraseregions; /* 通常為1 */
16. struct mtd_erase_region_info *eraseregions; /* 可變擦除區域 */
18. void *priv; /* 設備私有數據指針，對於NandFlash來說指nand_chip結構體 */
19. struct module *owner; /* 一般設置為THIS_MODULE */
21. /* 擦除函數 */
22. int (*erase) (struct mtd_info *mtd, struct erase_info *instr);
24. /* 讀寫flash函數 */
25. int (*read) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf);
26. int (*write) (struct mtd_info *mtd, loff_t to, size_t len, size_t *retlen, const u_char *buf);
28. /* 帶oob讀寫Flash函數 */
29. int (*read_oob) (struct mtd_info *mtd, loff_t from,
30. struct mtd_oob_ops *ops);
31. int (*write_oob) (struct mtd_info *mtd, loff_t to,
32. struct mtd_oob_ops *ops);
34. int (*get_fact_prot_info) (struct mtd_info *mtd, struct otp_info *buf, size_t len);
35. int (*read_fact_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf);
36. int (*get_user_prot_info) (struct mtd_info *mtd, struct otp_info *buf, size_t len);
37. int (*read_user_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf);
38. int (*write_user_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, size_t *retlen, u_char *buf);
39. int (*lock_user_prot_reg) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len);
41. int (*writev) (struct mtd_info *mtd, const struct kvec *vecs, unsigned long count, loff_t to, size_t *retlen);
42. int (*panic_write) (struct mtd_info *mtd, loff_t to, size_t len, size_t *retlen, const u_char *buf);
43. /* Sync */
44. void (*sync) (struct mtd_info *mtd);
46. /* Chip-supported device locking */
47. int (*lock) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs, uint64_t len);
48. int (*unlock) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs, uint64_t len);
50. /* 電源管理函數 */
51. int (*suspend) (struct mtd_info *mtd);
52. void (*resume) (struct mtd_info *mtd);
54. /* 壞塊管理函數 */
55. int (*block_isbad) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs);
56. int (*block_markbad) (struct mtd_info *mtd, loff_t ofs);
58. void (*unpoint) (struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len);
59. unsigned long (*get_unmapped_area) (struct mtd_info *mtd,
60. unsigned long len,
61. unsigned long offset,
62. unsigned long flags);
63. struct backing_dev_info *backing_dev_info;
64. struct notifier_block reboot_notifier; /* default mode before reboot */
66. /* ECC status information */
67. struct mtd_ecc_stats ecc_stats;
68. int subpage_sft;
69. struct device dev;
70. int usecount;
71. int (*get_device) (struct mtd_info *mtd);
72. void (*put_device) (struct mtd_info *mtd);
73. };

如果MTD設備只有一個分區，那麽使用下面兩個函數註冊和註銷MTD設備。

1. int add_mtd_device(struct mtd_info *mtd)
2. int del_mtd_device (struct mtd_info *mtd)

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

1. struct mtd_partition {
2. char *name; /* 分區名，如TQ2440_Board_uboot、TQ2440_Board_kernel、TQ2440_Board_yaffs2 */
3. uint64_t size; /* 分區大小 */
4. uint64_t offset; /* 分區偏移值 */
5. uint32_t mask_flags; /* 掩碼標識，不重要 */
6. struct nand_ecclayout *ecclayout; /* OOB布局 */
7. struct mtd_info **mtdp; /* pointer to store the MTD object */
8. };
9. 其中nand_ecclayout結構體：
10. struct nand_ecclayout {
11. __u32 eccbytes; /* ECC字節數 */
12. __u32 eccpos[64]; /* ECC校驗碼在OOB區域存放位置 */
13. __u32 oobavail;
14. /* 除了ECC校驗碼之外可用的OOB字節數 */
15. struct nand_oobfree oobfree[MTD_MAX_OOBFREE_ENTRIES];
16. };

mtd字符設備接口：

/drivers/mtd/mtdchar.c文件實現了MTD字符設備接口，通過它，可以直接訪問Flash設備，與前面的字符驅動一樣，通過file_operations結構體裏面的open()、read()、write()、ioctl()可以讀寫Flash，通過一系列IOCTL 命令可以獲取Flash 設備信息、擦除Flash、讀寫NAND 的OOB、獲取OOB layout 及檢查NAND 壞塊等(MEMGETINFO、MEMERASE、MEMREADOOB、MEMWRITEOOB、MEMGETBADBLOCK IOCRL)

mtd塊設備接口：

/drivers/mtd/mtdblock.c文件實現了MTD塊設備接口，主要原理是將Flash的erase block 中的數據在內存中建立映射，然後對其進行修改，最後擦除Flash 上的block，將內存中的映射塊寫入Flash 塊。整個過程被稱為read/modify/erase/rewrite 周期。 但是，這樣做是不安全的，當下列操作序列發生時，read/modify/erase/poweroff，就會丟失這個block 塊的數據。
MTD硬件驅動層：

Linux內核再MTD層下實現了通用的NAND驅動(/driver/mtd/nand/nand_base.c)，因此芯片級的NAND驅動不再需要實現mtd_info結構體中的read()、write()、read_oob()、write_oob()等成員函數。

MTD使用nand_chip來表示一個NAND FLASH芯片, 該結構體包含了關於Nand Flash的地址信息,讀寫方法,ECC模式,硬件控制等一系列底層機制。

1. struct nand_chip {
2. void __iomem *IO_ADDR_R; /* 讀8位I/O線地址 */
3. void __iomem *IO_ADDR_W; /* 寫8位I/O線地址 */
5. /* 從芯片中讀一個字節 */
6. uint8_t (*read_byte)(struct mtd_info *mtd);
7. /* 從芯片中讀一個字 */
8. u16 (*read_word)(struct mtd_info *mtd);
9. /* 將緩沖區內容寫入芯片 */
10. void (*write_buf)(struct mtd_info *mtd, const uint8_t *buf, int len);
11. /* 讀芯片讀取內容至緩沖區/ */
12. void (*read_buf)(struct mtd_info *mtd, uint8_t *buf, int len);
13. /* 驗證芯片和寫入緩沖區中的數據 */
14. int (*verify_buf)(struct mtd_info *mtd, const uint8_t *buf, int len);
15. /* 選中芯片 */
16. void (*select_chip)(struct mtd_info *mtd, int chip);
17. /* 檢測是否有壞塊 */
18. int (*block_bad)(struct mtd_info *mtd, loff_t ofs, int getchip);
19. /* 標記壞塊 */
20. int (*block_markbad)(struct mtd_info *mtd, loff_t ofs);
21. /* 命令、地址、數據控制函數 */
22. void (*cmd_ctrl)(struct mtd_info *mtd, int dat,unsigned int ctrl);
23. /* 設備是否就緒 */
24. int (*dev_ready)(struct mtd_info *mtd);
25. /* 實現命令發送 */
26. void (*cmdfunc)(struct mtd_info *mtd, unsigned command, int column, int page_addr);
27. int (*waitfunc)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *this);
28. /* 擦除命令的處理 */
29. void (*erase_cmd)(struct mtd_info *mtd, int page);
30. /* 掃描壞塊 */
31. int (*scan_bbt)(struct mtd_info *mtd);
32. int (*errstat)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *this, int state, int status, int page);
33. /* 寫一頁 */
34. int (*write_page)(struct mtd_info *mtd, struct nand_chip *chip,
35. const uint8_t *buf, int page, int cached, int raw);
37. int chip_delay; /* 由板決定的延遲時間 */
38. /* 與具體的NAND芯片相關的一些選項，如NAND_NO_AUTOINCR，NAND_BUSWIDTH_16等 */
39. unsigned int options;
41. /* 用位表示的NAND芯片的page大小，如某片NAND芯片
42. * 的一個page有512個字節，那麽page_shift就是9
43. */
44. int page_shift;
45. /* 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
46. * 擦除16K字節(通常就是一個block的大小)，那麽phys_erase_shift就是14
47. */
48. int phys_erase_shift;
49. /* 用位表示的bad block table的大小，通常一個bbt占用一個block，
50. * 所以bbt_erase_shift通常與phys_erase_shift相等
51. */
52. int bbt_erase_shift;
53. /* 用位表示的NAND芯片的容量 */
54. int chip_shift;
55. /* NADN FLASH芯片的數量 */
56. int numchips;
57. /* NAND芯片的大小 */
58. uint64_t chipsize;
59. int pagemask;
60. int pagebuf;
61. int subpagesize;
62. uint8_t cellinfo;
63. int badblockpos;
64. nand_state_t state;
65. uint8_t *oob_poi;
66. struct nand_hw_control *controller;
67. struct nand_ecclayout *ecclayout; /* ECC布局 */
69. struct nand_ecc_ctrl ecc; /* ECC校驗結構體，裏面有大量的函數進行ECC校驗 */
70. struct nand_buffers *buffers;
71. struct nand_hw_control hwcontrol;
72. struct mtd_oob_ops ops;
73. uint8_t *bbt;
74. struct nand_bbt_descr *bbt_td;
75. struct nand_bbt_descr *bbt_md;
76. struct nand_bbt_descr *badblock_pattern;
77. void *priv;
78. };

Linux MTD系統剖析【轉】