nand flash制备流程嵌入式Linux系列第5篇：Nand Flash根文件系统制作

发布时间 : 2024-11-28

作者 : 小编

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嵌入式Linux系列第5篇：Nand Flash根文件系统制作

1.引言

之前系列的文章介绍了如何编译Uboot、Kernel以及使用默认的ramdisk根文件系统来构建一个完整的嵌入式Linux系统，本篇文章介绍如何从头制作一个放在NAND Flash上的根文件系统。经过我这段时间的总结，rootfs相关的编译、配置等工作还是比较麻烦的。所以你可能会看到一般做核心板的第三方厂家会建议初学者直接使用现成提供的文件系统，比如一个做NUC972核心板的厂家，其文档里这么描述：

再比如另外一个做NXP I.MX6核心板的厂家，其文档里这么描述：

他们都建议初学者直接使用他们提供好的文件系统。但是我还是强烈建议大家自己一步一步的去操作制作一次，因为一是这有助于你理解根文件系统是怎么来的，最小的能用的根文件系统包含了哪些东西，二是将来你很有可能需要对文件系统做一些定制化的裁剪和修改工作，只有自己做了一遍你对会明白这个东西到底是怎么回事，比如我原来就搞不清楚Busybox、Buildroot、Yocto这些名词在Linux中的作用，现在随着实践增多，就大概知道他们的用处了。

2.环境介绍

2.1.硬件

因为本系列博客都会以NUC972为平台来介绍。

2.2.软件

本篇新用到的软件工具一个是busybox，它用来生成文件系统里的几个最基本的文件夹，二是打包工具mkyaffs2，它用来生成能直接烧录到板子里的镜像文件。

大家有没有注意，我为什么每次都把这个官方的链接放过来，让大家自己去下载，原因是我们要知道我们用的东西的源头在哪里，最官方的资料渠道在哪里，这很重要。

我们这次要实现的目标是：自己亲手制作的文件系统能够跑起来，同时能够运行我们第二篇文章介绍的Helloworld程序。

3.使用Busybox制作根文件系统

1）进入到nuc972文件夹，新建一个tool文件夹，用来存放busybox、mkyaffs2等工具，把上面下载的NUC970_Linux_Applications-master.zip文件解压到tool文件夹里，因为解压后含有NUC970_Linux_Applications-master，我们把里面的内容移出来，然后删除掉空的NUC970_Linux_Applications-master文件夹和NUC970_Linux_Applications-master.zip源文件。然后进入到busybox目录里。同样的，在编译前要设置交叉编译的环境变量。

cd ~/nuc972

mkdir tool

unzip NUC970_Linux_Applications-master.zip

cd NUC970_Linux_Applications-master

mv ./* ../

cd ..

rm NUC970_Linux_Applications-master -fr

rm NUC970_Linux_Applications-master.zip

cd busybox-1.22.1/

source ~/nuc972//toolchain/environment.sh

2）make menuconfig 进入配置界面

make menuconfig

我们这里就设置一个地方，其他的全部使用默认配置。

修改make install生成的文件夹路径，我们把默认的./_install改成nuc972目录下的rootfs。

Busybox Settings --->

Installation Options ("make install" behavior) --->

(../../rootfs) BusyBox installation prefix

3）make 编译

make

编译成功后显示如下：

编译完成之后我们可以查看一下busybox的文件属性，可以看到如下信息，说明我们交叉编译的没问题。

4）make install 安装

make install

这样就在前面我们设置的地方生成一个rootfs的文件夹，进到里面看一下

cd ~/nuc972/rootfs

bin、sbin、usr ：存放一些命令

linuxrc ：挂载根文件系统时，第一个执行的文件

4）再创建几个文件夹

mkdir etc lib dev

5）在 rootfs 目录的dev目录下创建设备节点

cd dev

sudo mknod console c 5 1

sudo mknod null c 1 3

6）在根文件系统rootfs/etc目录下创建一个inittab 文件，在文件里面填写：.console::askfirst:-/bin/sh

cd ../etc

vim inittab

4.文件系统打包

1）进入到tool文件夹的yaffs2utils目录里

cd yaffs2utils

2）编译，生成mkyaffs2

make clean

make

注：编译这个工具，不需要修改Makefile，用file看下属性，它是在x86-64运行的，这是没问题的，因为它就是在Ubuntu下使用的，不是在嵌入式环境下去执行使用的。

将它复制到/usr/bin下以后用起来方便了，可以直接使用这个指令了，你可一在终端敲mkya，然后TAB建看不能出来。

sudo cp mkyaffs2 /usr/bin/

4) 生成文件系统

sudo mkyaffs2 --inband-tags -p 2048 rootfs rootfs_yaffs2.img

5.内核修改

内核也要做一定的修改，具体如下：

1）make menuconfig进入到内核配置界面

make menuconfig

2）默认用的RAM filesytem 需要去掉

General setup —>

[ ] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support

3）默认的Boot option需要修改成如下：

Boot options --->

(noinitrd root=/dev/mtdblock2 rootfstype=yaffs2 rootflags=inband-tags console=ttyS0,115200n8 rdinit=/sbin/init mem=64M)

4）NAND Flash驱动相关配置

Device Drivers --->

Generic Driver Options --->

<*> Nuvoton NUC970 FMI function selection

Select FMI device to support (Support MTD NAND Flash) --->

5）选中MTD的支持

Device Drivers --->

<*> Memory Technology Device (MTD) support --->

<*> Caching block device access to MTD devices

-*- NAND Device Support --->

-*- Nuvoton NUC970 MTD NAND --->

NUC970 NAND Flash pin selection (Port C) --->

6）选中yaff2文件系统的支持

File systems --->

[*] Miscellaneous filesystems --->

<*> yaffs2 file system support

7）保存配置，编译

6.结果查看

6.1.验证文件系统是否可用

1）将上述生成的kernel 970uimage、文件系统rootfs_yaffs2.img、还有之前第三讲生成的uboot.bin，uboot-spl.bin，以及env.txt 下载到板子里，env.txt做了一些改动，主要是加入了boocmd那一行，这样下载进去就能直接启动了。

baudrate=115200

bootcmd=nboot 0x7fc0 0 0x200000; bootm 0x7fc0

bootdelay=1

ethact=emac

ethaddr=00:00:00:11:66:88

stderr=serial

stdin=serial

stdout=serial

烧写前，最好对芯片进行一次Erase。几个文件的烧写类型及地址大家注意下，别搞错了。

2）上电，看看效果，调试串口打印信息如下：

这一次很顺利啊，一次就成功了，这就说明我们上述做的根文件系统是可以正常使用的了。

6.2.验证helloworld能否在板子上运行

我们还要看看我们之前编译的helloworld程序能不能运行，我们把helloworld放到板子里去，怎么把这个文件放到板子上呢？有以下几种方式：

a) 把Helloworld在Ubuntu下放到rootfs文件夹里，然后按照上述的方法打包、下载进去。

b）通过scp或者NFS服务，直接通过网口放到板子里

c) 先放到U盘里，然后U盘插入到板子上，再复制过去

方法a）自然没问题，不过有些麻烦，方法b)现阶段我们的文件系统并不支持，暂时先不弄了，下一篇文章会介绍scp的移植，我们来试试方法c)吧

1）插入U盘到电脑上，把helloworld拷贝过去

2）把U盘插入到板子上，这时调试串口会自动输出如下信息，提示我们有USB Mass Storage设备接入了，看来内核已经把USB这部门驱动已经做进去了。这不是有点像我们给PC机重装Windows系统的过程，默认鼠标键盘也是可以直接使用的。

我们进入到/dev目录里，可以看到有sda1设备，LINUX所有的存储设备都是映射成"文件"来访问的，包括U盘、光驱、硬盘等。这个sda1就对应我们刚插入的U盘。

那么该如何访问U盘的东西呢？

我们需要挂载，使用mount指令，我们执行以下命令：

mkdir mnt

cd mnt

mkdir usb

cd usb

mount -t vfat /dev/sda1 /mnt/usb

cd /

mkdir opt

cp /mnt/usb/helloworld /opt

完成的事情是把sda1挂载到了/mnt/usb目录上，这样/mt/usb目录里就有了U盘里的内容，然后再复制到了系统的/opt目录。

我们在/opt目录里执行./helloworld，提示如下错误：

-/bin/sh: ./helloworld: not found

这是怎么回事呢？原因很简单，helloworld的执行是需要依赖一些库的，不可能系统里什么都没有就执行能执行成功了。所以需要我们把交叉编译链~/nuc972/toolchain/arm-2014.05/arm-none-linux-gnueabi/libc/lib里的库文件复制到板子的lib目录里。

可以先到arm-2014.05/arm-none-linux-gnueabi/libc/lib目录中，压缩下

tar -cvf lib.bin *

然后通过U盘放到板子的/lib目录中解压

tar -xvf lib.bin

这样操作之后，再次执行helloword，结果如下：

另外可以对板子断电-再上电，看看我们之前操作的内容都还在，因为它是存到NAND Flash里的，所以断电是不丢失的。

7.结束语

如果你亲自动手实现了这篇文章介绍的所有内容，相信你对根文件系统一定有了一个非常感官的认识。包括这篇在内，我用了5篇文章一直在介绍嵌入式Linux基础环境相关的内容，你应该也能感受到这和我们以前接触的单片机开发还是有着较大的差异。从下一篇文章开始，我们就正式进入到具体的应用了。我会陆续介绍GPIO、UART使用；网络通信；WIFI使用；摄像头采集数据；EC20 4G模块使用；QT编程；Opencv使用等。

「收藏」Flash闪存颗粒和工艺知识深度解析

[收藏] Flash闪存颗粒和工艺知识深度解析

原创： Hardy 架构师技术联盟 5天前

Wafer即晶圆，是半导体组件“晶片”或“芯片”的基材，从沙子里面高温拉伸生长出来的高纯度硅晶体柱(Crystal Ingot)上切下来的圆形薄片称为“晶圆”。采用精密“光罩”通过感光制程得到所需的“光阻”，再对硅材进行精密的蚀刻凹槽，继续以金属真空蒸着制程，于是在各自独立的“晶粒”(Die)上完成其各种微型组件及微细线路。对晶圆背面则还需另行蒸着上黄金层，以做为晶粒固着(Die Attach) 于脚架上的用途。

以上流程称为Wafer Fabrication。早期在小集成电路时代，每一个6吋的晶圆上制作数以千计的晶粒，现在次微米线宽的大型VLSI，每一个8吋的晶圆上也只能完成一两百个大型芯片。我们NAND Flash的Wafer，目前主要采用8寸和12寸晶圆，一片晶圆上也只能做出一两百颗NAND Flash芯片来。

NAND Flash Wafer

Wafer的制造虽动辄投资数百亿，但却是所有电子工业的基础。晶圆的原始材料是硅，而地壳表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅矿石经由电弧炉提炼，盐酸氯化，并经蒸馏后，制成了高纯度的多晶硅，其纯度高达99.99%以上。晶圆制造厂再将此多晶硅融解，再在融液里种入籽晶，然后将其慢慢拉出，以形成圆柱状的单晶硅晶棒，由于硅晶棒是由一颗晶面取向确定的籽晶在熔融态的硅原料中逐渐生成，此过程称为“长晶”。硅晶棒再经过切段，滚磨，切片，倒角，抛光，激光刻，封装后，即成为集成电路工厂的基本原料——硅晶圆片，这就是“晶圆”。

下图是NAND Flash生产简要流程:

Die 就是芯片未封装前的晶粒,是从硅晶圆(Wafer)上用激光切割而成的小片(Die)。每一个Die就是一个独立的功能芯片，它无数个晶体管电路组成，但最终将被作为一个单位而被封装起来成为我们常见的闪存颗粒，CPU等常见芯片。

什么是ink Die

在晶圆制造过程中，会对Wafer中的每个Die进行严格测试，通过测试的Die，就是Good Die，未通过测试的即为Ink Die。这个测试过程完成后，会出一张Mapping图，在Mapping里面会用颜色标记出不良的Die，故称Ink Die。

Flash芯片封装分类

目前NAND Flash封装方式多采取TSOP、FBGA与LGA等方式，由于受到终端电子产品转向轻薄短小的趋势影响，因而缩小体积与低成本的封装方式成为NAND Flash封装发展的主流趋势。

TSOP: (Thin smaller outline package )封装技术，为目前最广泛使用于NAND Flash的封装技术，首先先在芯片的周围做出引脚，采用SMT技术（表面安装技术）直接附着在PCB板的表面。TSOP封装时，寄生参数减小，因而适合高频的相关应用，操作方便，可靠性与成品率高，同时具有价格便宜等优点，因此于目前得到了极为广泛的应用。

BGA: (Ball Grid Array也称为锡球数组封装或锡脚封装体 )封装方式，主要应用于计算机的内存、主机板芯片组等大规模集成电路的封装领域，FBGA 封装技术的特点在于虽然导线数增多，但导线间距并不小，因而提升了组装良率，虽然功率增加，但FBGA能够大幅改善电热性能，使重量减少，信号传输顺利，提升了可靠性。

采用FBGA新技术封装的内存，可以使所有计算机中的内存在体积不变的情况下容量提升数倍，与TSOP相比，具有更小的体积与更好的散热性能，FBGA封装技术使每平方英寸的储存量有很大的提升，体积却只有TSOP封装的三分之一，与传统TSOP封装模式相比，FBGA封装方式有加快传输速度并提供有效的散热途径，FBGA封装除了具备极佳的电气性能与散热效果外，也提供内存极佳的稳定性与更多未来应用的扩充性。

LGA: (Land Grid Array ) 触点陈列封装，亦即在底面制作有数组状态坦电极触点的封装，装配时插入插座即可，现有227 触点(1.27mm中心距)和447 触点(2.54mm 中心距)的陶瓷LGA，应用于高速逻辑 LSI 电路，由于引线的阻电抗小，对高速LSI 相当适用的，但由于插座制作复杂，成本较高，普及率较低，但未来需求可望逐渐增加。

Flash芯片封装叠Die(Stack Die)

由于NAND Flash单颗Die的容量有限，为了实现更高的容量，需要在一个封装片内堆叠几个Die。在Wire Bond的时候，用金线互连。

目前单颗Die的容量最高的为Micron公司的MLC 4GB，目前最先进的堆叠技术可以叠8层，因此理论上MLC单颗封装片可以做到32GB。Micron公司计划在09年Q4推出此容量的封装片。

Flash芯片TSOP封装和BGA封装的内部结构

TSOP封装只需要一个引脚框架，把NAND FLASH Die的Pad打线(Wire Bond)连接到引进框架上面即可。封装技术简单，成本低。但其打线方式只能从两边打线，因此stack die就比较困难。

BGA封装与TSOP封装不同在于其采用了Substrate，用电路板来对引脚走线，因此可以进行四面打线，这样在进行叠die的时候，就变得更加容易操作。但成本会比TSOP要高。

Flash芯片封装的尺寸，一些封装方式尺寸比较:

NAND Flash出货有两种产品样式:

一种是Wafer，即晶圆出货，这种产品样式一般客户采购回去需要再测试和COB封装等，这种客户多为闪存卡大客户。

一种是封装片出货，NAND Flash目前最普遍采用的是48TSOP1的封装方式，现货市场均为TSOP的封装片。

NAND Flash按工艺可分为SLC与MLC

SLC英文全称(Single Level Cell)即单层式单元储存。SLC技术特点是在浮置闸极与源极之中的氧化薄膜更薄，在写入数据时通过对浮置闸极的电荷加电压，然后透过源极，即可将所储存的电荷消除，通过这样的方式，便可储存1个信息单元，这种技术能提供快速的程序编程与读取，不过此技术受限于Silicon efficiency的问题，必须要用较先进的流程强化技术，才能向上提升SLC制程技术。

MLC英文全称(Multi Level Cell)即多层式单元储存。Intel在1997年9月最先开发成功MLC，其作用是将两个单位的信息存入一个Floating Gate(闪存存储单元中存放电荷的部分)，然后利用不同电位(Level)的电荷，通过内存储存的电压控制精准读写。MLC通过使用大量的电压等级，每一个单元储存两位数据，数据密度比较大。SLC架构是0和1两个值，而MLC架构可以一次储存4个以上的值。因此，MLC架构可以有比较高的储存密度。

TLC英文全称(Triple Level Cell)即一个单元可以存储单元可以存储3bit，因此需要8个等级的电位进行编码解码才能实现。其实TLC是属于MLC的一种。

SLC和MLC的基本特性表

Flash坏块的形成

NAND Flash的存储原理是，在写入(Program)的时候利用F-N隧道效应(Tunnel Injection隧道注入)的方法使浮栅充电，即注入电荷；在擦除(Erase)的时候也是是利用F-N隧道效应(Tunnel Release隧道释放)将浮栅上的电荷释放。

隧道注入和隧道释放的产生都需要十几伏的瞬间高电压条件，这对浮栅上下的氧化层会造成一定损伤，因此这样重复的操作(P/E Cycle)是有限的。SLC大概是100K次，MLC大概是10K次。达到读写寿命极限的时候存储单元就会出现失效，然后就会造成数据块擦除失效，以及写入失效，于是就会被标记起来，作为坏块，并将这个标记信息存放在Spare Area里面，后续操作这个Block时，需要Check一下这个信息。

Flash固有坏块

由于制造工艺的原因，通常普通的NAND FLASH从出厂开始就有坏块了，一般在2‰以下。一般芯片原厂都会在出厂时都会将坏块第一个page的spare area的第6个byte标记为不等于0xff的值。

NAND Flash的存储单元是有使用寿命的

NAND Flash的存储原理是，在写入(Program)的时候利用F-N隧道效应(Tunnel Injection隧道注入)的方法使浮栅充电，即注入电荷；在擦除(Erase)的时候也是是利用F-N隧道效应(Tunnel Release隧道释放)将浮栅上的电荷释放。隧道注入和隧道释放的产生都需要20V左右瞬间高电压条件，这对浮栅上下的氧化层会造成一定损伤，因此这样重复的操作(P/E Cycle)是有限的。SLC大概是100K次，MLC大概是10K次。

三星估算的SSD硬盘的寿命

如果每天对SSD写入4.8GB的数据，假设SSD总容量为16GB，那么，你至少需要3.34天才能对整个SSD的每个单元擦写一次；如果此SSD为擦写次数为100K的SLC单元，那么，你至少需要3.34×100K天才能使这个SSD完全失效；3.34×100K天＝913年，因此16G的SSD可以使用913年 。那么，如果是MLC的话，也至少可以使用91.3年。

晶圆制程工艺发展历史

芯片制程工艺是指晶圆内部晶体管之间的连线间距。按技术述语来说，也就是指芯片上最基本功能单元门电路和门电路间连线的宽度。

主流厂商的晶圆制程工艺以及下一代制程工艺的情况，如下表。

芯片制造工艺在1995年以后，从0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、90纳米、75纳米、65纳米一直发展到目前最新的34纳米。

一步步印证了摩尔定律的神奇。以90纳米制造工艺为例，此时门电路间的连线宽度为90纳米。我们知道，1微米相当于1/60头发丝大小，经过计算我们可以算出，0.045微米(45纳米)相当于1/1333头发丝大小。可别小看这1/1333头发丝大小，这微小的连线宽度决定了芯片的实际性能，芯片生产厂商为此不遗余力地减小晶体管间的连线宽度，以提高在单位面积上所集成的晶体管数量。采用34纳米制造工艺之后，与65纳米工艺相比，绝对不是简单地令连线宽度减少了31纳米，而是芯片制造工艺上的一个质的飞跃。

目前最先实现34nm工艺的是Intel和Micron联合投资的IM，此技术被最先应用在了NAND FLASH上面，可见NAND FLASH的制程工艺跳跃是所有IC中最快的。

晶圆技术的发展都是受生产力驱动，必须向更小的制程间距和更大的晶圆尺寸发展。制程从2.0um、0.5um、0.18um、90nm一直到目前的34nm，晶圆尺寸从最初的5英寸发展到目前的12英寸，每次更迭都是一次巨大的技术跳跃，凝聚了人类科技的结晶，也一次次印证了摩尔定律的神奇。

晶圆尺寸的大约每9年切换一次。而晶圆制程由最初的几年更迭一次，到目前的基本上每年都能更迭一次。

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