【Zephyr开发实践系列】06_存储块设备驱动开发（Nand Flash）

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前言

在嵌入式系统中，常见的 Flash 存储模块根据接口类型和用途可分为NOR、NAND、EMMC、SD卡等。本文基于NAND-Flash介绍Zephyr下的驱动模型，SPI与HAL层寄存器操作暂不做解析，仅基于API实现最基本接口。

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一、Flash驱动模型介绍

最基本的Flash模块驱动模型包括以下几个要点：

1.1 核心基础应用API（必须）

• read:从 Flash 读取数据
• write:写入数据到 Flash
• erase:擦除指定区域（扇区/块）
• get_parameters:获取 Flash 物理参数（页大小、块大小、总容量等）

1.2 高级功能应用API（可选）

• page_layout:提供 Flash 物理布局（如分页/分块信息）
• sfdp_read:通过 SFDP自动识别 Flash 参数
• read_jedec_id:读取JEDEC ID
• ex_op：扩展操作（如 QSPI 四线模式使能、DTR 模式配置等）

1.3 设置数据结构

• 配置结构: 只保留时钟频率/设备、块大小，页大小

1.4 硬件初始化

• 时钟使能: 确保flash模块时钟开启与在要求频率范围
• 引脚配置：若无pin-ctrl系统，需要直接配置引脚
• 取消保护操作: 取消Flash模块块保护
• 根据需要配置模式（四线，两线）

1.5 设备实例化

• 配置结构初始化: 从设备树提取基本配置
• 设备注册宏: 使用DEVICE_DT_INST_DEFINE注册设备
• 初始化优先级: 设置为POST_KERNEL
• 根据需求注册电源管理PM

二、数据结构定义

2.1 获取Flash块与页大小

static const struct flash_parameters shenju_flash_parameters = {
#if DT_NODE_HAS_PROP(SOC_FLASH_NODE, write_block_size)
	.write_block_size = DT_PROP(SOC_FLASH_NODE, write_block_size),
#else
	.write_block_size = DEFAULT_WRITE_BLOCK_SIZE,
#endif
	.erase_value = 0xff,
};

说明：

• DT_PROP根据设备树获取信息
• 参数write_block_size：128*1024Byte
• 擦除后值为0xFF

三、核心API函数实现

3.1 擦除函数

static int flash_erase(const struct device *dev, off_t offset, size_t len)
{
  
if (FLASH_TYPE == NAND)
    int block_size = spinand_get_block_size();
    int block_number = offset / block_size;
    int block_count = len / block_size;
    if(len % block_size) block_count++;
    spinand_erase_length(block_number, block_count, 1);
    return 0;
}

说明：

• 一块block大小为128k
• 根据地址判断待擦除的block号
• 根据擦除的数据长度，若存在少量剩余，则按一块计算

3.2 读取函数

static int flash_read(const struct device *dev, off_t offset, void *data, size_t len)
{
    sys_cache_data_flush_and_invd_range(data, len);
	if (FLASH_TYPE == NAND)
    // spinand_read((uint32_t)data, offset, len);
    spinand_read_quad((uint32_t)data, offset, len);
    return 0;
}

说明：

• 读取数据之前需要确保缓冲区数据与物理内存一致（关键）
• 使用标准SPI或四线Quad SPI进行接收数据
• 标准SPI可不使用cache,Quad SPI必须使用cache方式操作

3.3 写入函数

static int flash_write(const struct device *dev, off_t offset, const void *data, size_t len)
{

    uint32_t write_flash_addr = offset;
    uint16_t write_len = len;
    uint8_t *write_data = (uint8_t *)data;
    
	if ((ret = spinand_write_enable()) != 0) {
    	return ret;
	}
    sys_cache_data_flush_range(write_data, write_len);


	if (FLASH_TYPE == NAND)
    // spinand_write((uint32_t)write_data, write_flash_addr, write_len);
    spinand_write_quad((uint32_t)write_data, write_flash_addr, write_len);
    return 0;

}

说明：

• 发送Write Enable
• 数据维护
• Quad模式页或普通模式写入

4.4 layout函数

void flash_page_layout(const struct device *dev,
			     const struct flash_pages_layout **layout,
			     size_t *layout_size)
{
	static struct flash_pages_layout flash_layout = {
		.pages_count = 0,
		.pages_size = 0,
	};

	ARG_UNUSED(dev);

	if (flash_layout.pages_count == 0) {
        flash_layout.pages_size = DT_PROP(DT_CHOSEN(zephyr_flash), block_size);
		flash_layout.pages_count = DT_REG_SIZE(DT_CHOSEN(zephyr_flash))/flash_layout.pages_size;
	}

	*layout = &flash_layout;
	*layout_size = 1;
}

说明：

• 作用于文件分区系统
• 可用于数据更新与板卡升级

4.5 坏区检测函数

void spinand_detect_bad_block_4kpage(void)
{
    uint8_t buf[4];
    for (uint32_t i = 0; i < 64; i++) {
        spinand_read_to_cache(64 * i, 1);
        spinand_read_from_cache((uint32_t)buf, 1024 * 2, 4);
        if (buf[0] != 0xff) {
            LOG_WRN("block:%u bad, value:%x\n", i, buf[0]);
        }
    }
}

说明：

• 遍历所有块（假设共64个块）

• 读取每个块的第一页 的OOB（Out-of-Band）区域前4字节

• 检查OOB数据：若首字节非 0xFF，则标记为坏块

总结

这段代码展示了SPI NAND Flash（如W25N04KV）驱动的核心逻辑：通过坏块检测和Quad SPI加速实现高效存储管理。包括：揪出故障区块、四线Quad SPI拉满传输速度、sys_cache系列操作确保CPU与闪存数据一致性