linux nand分区类型基于AM335X开发板 ARM Cortex-A8——NAND FLASH版本核心板使用说明

发布时间 : 2024-10-08

作者 : 小编

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基于AM335X开发板 ARM Cortex-A8——NAND FLASH版本核心板使用说明

前言：

NAND FLASH版本和eMMC版本核心板使用方法基本一致。本文主要描述U-Boot编译、基础设备树文件编译、固化Linux系统NAND FLASH分区说明和NAND FLASH启动系统、固化Linux系统、AND FLASH读写测试等，NAND FLASH版本与eMMC版本核心板在使用方面的不同之处，相同之处将不重复描述。

创龙科技TL335x-EVM-S是一款基于TI Sitara系列AM3352/AM3354/AM3359 ARM Cortex-A8高性能低功耗处理器设计的评估板。

评估板接口资源丰富，引出双路千兆网口、LCD、HDMI、GPMC、CAN等接口，方便用户快速进行产品方案评估与技术预研，应用在通讯管理、数据采集、人机交互、运动控制、智能电力等典型领域。

U-Boot编译

进行U-Boot编译选项配置时，请执行如下命令。

Host# make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- am335x_evm_s_nandboot_defconfig

图 1

我司提供经过验证的U-Boot镜像文件位于产品资料“4-软件资料\Linux\U-Boot\image\u-boot-2017.01-[Git系列号]-[版本号]\”目录下，分别为MLO-nand、u-boot.img-nand。系统启动卡制作完成后，请将MLO-nand和u-boot.img-nand文件复制到系统启动卡BOOT分区下，备份原有的eMMC版本MLO、u-boot.img文件，并将MLO-nand和u-boot.img-nand文件重命名为MLO、u-boot.img。

图 2

Host# sudo cp MLO-nand MLO

Host# sudo cp u-boot.img-nand u-boot.img

图 3

基础设备树文件编译

基础设备树源文件为内核源码“arch/arm/boot/dts/”目录下的tl335x-evm-s-nandflash.dts和tl335x-evm-s-nandflash-hdmi.dts，重新编译基础设备树时请使用此文件。我司提供经过验证的基础设备树文件为产品资料“4-软件资料\Linux\Kernel\image\linux-rt-4.9.65-[Git系列号]-[版本号]\”目录下的tl335x-evm-s-nandflash.dtb和tl335x-evm-s-nandflash-hdmi.dtb，请将其分别复制到系统启动卡rootfs分区以及rootfs-backup分区的boot目录下。

图 4

请执行如下命令将tl335x-evm.dtb软链到tl335x-evm-s-nandflash.dtb文件。tl335x-evm-s-nandflash.dtb支持LCD显示，如需使用HDMI显示，则将tl335x-evm.dtb软链到tl335x-evm-nandflash-hdmi.dtb文件即可。

Host# sudo rm tl335x-evm.dtb

Host# sudo ln -s tl335x-evm-s-nandflash.dtb tl335x-evm.dtb

Host# ls -l

图 5

使用替换了U-Boot和基础设备树文件的Linux系统启动卡启动评估板，进入文件系统执行如下命令可查看到NAND FLASH分区信息，即说明文件替换成功。

Target# cat /proc/mtd

图 6

固化Linux系统

本章节介绍Linux系统固化过程，包括固化U-Boot、内核、设备树和文件系统至NAND FLASH。

NAND FLASH分区说明

进入评估板系统后执行如下命令，查看NAND FLASH分区信息。

Target# cat /proc/mtd

图 7

表 1

NAND FLASH

MTD0

nand.spl：存放U-Boot第一阶段启动文件MLO

MTD1

nand.u-boot：存放U-Boot第二阶段启动文件u-boot.img

MTD2

nand.env：存放环境变量

MTD3

nand.devicetree：存放设备树文件

MTD4

nand.kernel：存放内核镜像

MTD5

nand.logo：存放LOGO文件

MTD6

nand.mini-fs：备用分区，一般存放小型文件系统（暂未使用）

MTD7

nand.rootfs：存放文件系统

固化Linux系统

Linux系统启动卡制作时，已将系统固化的脚本文件mknandboot.sh复制到了Linux系统启动卡文件系统的“/opt/tools/”目录下。

图 8

执行如下命令进行一键固化。

Target# /opt/tools/mknandboot.sh

图 9

脚本会进行如下操作：

擦除NAND FLASH。将Linux系统启动卡BOOT分区中的U-Boot、LOGO固化至NAND FLASH对应分区。将Linux系统启动卡rootfs-backup分区中的文件系统boot目录下的内核镜像和基础设备树文件固化至NAND FLASH对应分区。将Linux系统启动卡rootfs-backup分区中的文件系统固化至NAND FLASH对应分区。

用时约5~10min，Linux系统固化成功，同时串口调试终端打印提示信息。

从NAND FLASH启动系统

评估板断电，将Linux系统启动卡从评估板Micro SD卡槽中取出，根据评估底板丝印将拨码开关拨为10110(1~5)，此档位为NAND FLASH启动模式。评估板上电，串口调试终端将会打印如下类似启动信息。

图 10

图 11

NAND FLASH读写测试

本章节对NAND FLASH的MTD6分区进行读写速度测试。MTD6是NAND FLASH的备用分区，一般存放小型文件系统，大小为32MByte。读写测试会将该分区内容擦除，请做好数据备份。

执行如下命令查询NAND FLASH分区，确认MTD6分区大小（读写请勿超出分区大小），将该分区内容擦除。

Target# cat /proc/mtd

Target# flash_erase /dev/mtd6 0 0

图 12

NAND FLASH写速度测试

进入评估板文件系统，执行如下命令对NAND FLASH进行写速度测试。

Target# time dd if=/dev/zero of=/dev/mtd6 bs=1024k count=30

图 13

此处一共写30MByte测试数据到NAND FLASH的MTD6分区下，可看到本次测试的NAND FLASH写速度约为：30MByte/7.79s=3.85MB/s。

NAND FLASH读速度测试

重启评估板，进入评估板文件系统，执行如下命令对NAND FLASH进行读速度测试。

Target# time dd if=/dev/mtd6 of=/dev/null bs=1024k count=30

图 14

此处从NAND FLASH的MTD6分区读取30MByte数据，可看到本次测试的NAND FLASH读速度约为：30MByte/4.44s=6.75MB/s。

从Nand特性谈其烧录关键点

为什么烧录Nand Flash经常失败?为什么烧录成功了，一部分Nand芯片贴板之后系统却运行不起来?…，等等，问了那么多为什么，那我反问一个问题：你了解Nand Flash的特性及其烧录关键点吗?

一、Nand flash的特性

1、位翻转

在 NAND 闪存是通过对存储单元(Cell)进行充电来完成数据存储的，存储单元的阈值电压就对应着数据值。当读取的时候，通过将它的阈值电压与参考点对比来获得其数据值。对SLC 而言，就只有两种状态和一个参考点。而对于2-Bits 的MLC 而言，它有4 种状态和三个参考点。TLC就更多状态和参考点。当读出的数据值与编程时数据值对应的阈值电压不相匹配时，表明数据发生了位翻转，就带来了可靠性问题。导致位翻转的最常见原因是“编程干扰”导致的阈值电压漂移。

2、存储结构

Nand 闪存由多个Block组成，每一个Block又由多个Page组成，Page的大小一般为512+16Bytes 、2K+64Bytes以及4096+128Bytes，Page是读取和编程的基本单位，而擦除的基本单位是Block。

NAND Flash的页，包含主区(Main Area)和备用区(Spare Area)两个域，“主区”也常称作数据区，备用区是保留区域，一般用来标记坏块(bad block)和存放ECC的值，当然有些文件系统使用备用区记录擦除次数、文件组织数据等。

图1.1 为页大小为2048+64的闪存存储结构

3、坏块及ECC

位翻转的发生是随机的，且比特误码的数量会随着擦写次数的增加而增加。但是只要比特误码的数量在ECC 能够纠正的范围内，数据的完整性就始终有保障。在有些点，每页的比特误码有可能很接近ECC 所能纠正的极限，NAND 的控制系统必须严防比特误码超过可纠错的范围，否则，就可能造成数据丢失或者系统无法正常工作。因此，这些块必须要标记为坏块。坏块永远不应该再用来存储数据。由于坏块的产生是不可避免的，NAND 制造商在对裸片测试时会选择对某些块进行坏块标记，而不是放弃整个裸片，所以大多数NAND 在出厂时就已经存在标记为坏块的块。如果一个NAND 的块被标记为坏块，那么NAND 的容量就永久性的减小了。

二、Nand系统裸片量产烧录的关键点

由于Nand flash芯片的特性，以其作为存储介质时必须对这些特性进行恰当处理，这样系统才能正常运行。系统设定各分区数据在Nand芯片的存储布局，并且在存储驱动层对Nand进行位纠错、坏块管理等处理，这些信息需要系统/驱动工程师明确。

研发阶段或小批量生产阶段，常采用在板烧录的方式，原理是将boot通过串口下载到内存跑起来，由boot从SD卡或网络将内核镜像、文件系统镜像等数据烧录到Nand flash芯片。

为了提高生产效率或别的方面考虑，会使用烧录器对Nand flash裸片进行量产烧录，由于烧录器厂家并不知道存储驱动层对Nand各种特性的处理方式，所以不加正确配置就进行烧录的话，往往出现以下情况：1. 烧录失败，经常是校验通不过;2. 烧录通过，但是部分芯片贴板之后系统运行不起来，或者运行起来某些模块出现一些错误与异常。这些大多不是烧录器本身的问题，而是裸片烧录Nand系统时几个重要的关键点没有处理好，或者说没有和目标系统相关处理一致。这些关键点包括：

1) 坏块处理策略

2) 分区(Partition)

3) 纠错码(Error Correction Codes，ECC)

当然，影响烧录的还有其他因素，比如备用区的使用情况、未用好快的格式化以及动态元数据等，但我们这里只讨论上面几个比较普遍的因素。

1、坏块处理策略

坏块一般是根据芯片的坏块标记位置进行识别的，而坏块处理策略定义了在遇到坏块时算法应该如何处理。策略算法负责将本来应该写到坏块的内容写到其它可选的好块中。最常用的坏块处理策略是跳过坏块，其他典型的还有带BBT的跳过坏块及预留块区等。

跳过坏块的处理策略是最基本最常用的坏块替换策略。当烧录中遇到坏块时，算法简单地跳过坏块，而将数据写入下一个好块。它会造成物理数据和逻辑数据的位置偏移，这通常需要分区来解决这个问题。

2、分区(Partition)

采用类跳过坏块的处理策略的Nand系统，常常会把存储区分成若干个不同的物理区域，这就是我们说的分区，概念上很像电脑硬盘的分区。使用分区使得你有能力确保你的数据可以存到预先指定的物理块区内，即便在这之前发现了一些坏块。这对一些底层软件组件比如启动引导程序和某些必须很容易定位的文件系统驱动程序来说，是非常有帮助的。

当使用跳过坏块的替换策略时，坏块会导致数据顺移到下一个好块。如果设置了分区，就可以指导烧录器确定数据的边界，确保数据文件不会侵占邻近的分区。

图2.2.1就是典型的嵌入式Linux系统的分区情况。

图2.2.1 典型的嵌入式Linux系统分区情况

3、纠错码(Error Correction Codes，ECC)

针对不同工艺、容量的NAND存储系统采用适当的ECC算法是应该的，要保证系统的可靠性，甚至是必须的。ECC纠错码一般存放在备用区中，对一整页或将页分成若干节的数据进行计算而得。数据烧录之前需要准备好ECC(硬件ECC除外)，如果是纯数据则需要使用ECC算法来生成。Nand裸片量产中，知道ECC算法的纠错能力(纠错位数)是很重要的，因为要保证生产效率，烧录器如果采用ECC来进行校验数据是不实际的，而通过简单数据比对就可以知道数据的位翻转个数，如果翻转个数范围在ECC算法的纠错范围之内，则认为校验应该是通过的。

三、烧录定制

对于以上关键点或其它特殊部分，如果烧录器软件没有支持的相应的方案，需要联系原厂进行相关算法的定制，比如坏块处理方案、ECC方案等。

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