基于微處理器S3C6410的NAND FLASH模擬U盤的原理與實(shí)現(xiàn)
本文介紹了嵌入式Linux操作系統(tǒng)下基于三星微處理器S3C6410的NAND FLASH模擬U盤的原理與實(shí)現(xiàn)方法。操作系統(tǒng)采用Linux 2．6．28版本，平臺(tái)為飛凌OK6410-A開發(fā)板。采用的方案是通過添加一個(gè)512 MB的NAND FLASH分區(qū)空間，配置Linux系統(tǒng)USB Gadget功能，實(shí)現(xiàn)劃分出的512 MB的NAND FLASH空間以U盤存儲(chǔ)系統(tǒng)與PC機(jī)通信。該方案的文獻(xiàn)目前在國內(nèi)外同等操作系統(tǒng)版本和平臺(tái)上并無先例。通過上述方案成功地實(shí)現(xiàn)了S3C6410開發(fā)板劃分出512 MB的NAND FLASH空間以U盤形式掛載到了PC機(jī)上，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的信息交換。
現(xiàn)階段嵌入式產(chǎn)品作為U盤掛載到PC機(jī)上在各類電子產(chǎn)品中被越來越多的應(yīng)用，Linux操作系統(tǒng)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用也越來越廣泛，但是Linux中模擬U盤掛載到PC機(jī)中，與PC機(jī)上通用Windows的通信還很好的達(dá)到實(shí)現(xiàn)。本文基于ARM11體系結(jié)構(gòu)的處理器，實(shí)現(xiàn)了Linux系統(tǒng)下NAND FLASH模擬U盤掛載到PC機(jī)上與Windows進(jìn)行通信。并在飛凌的OK6410-A板上得到驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了該功能。
目前國內(nèi)嵌入式產(chǎn)品多用ARM9體系結(jié)構(gòu)，ARM11則用于高端電子產(chǎn)品，NAND FLASH模擬U盤的掛載技術(shù)雖然在電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用，但是對于以新起的Linux操作系統(tǒng)的高端電子產(chǎn)品，這項(xiàng)技術(shù)還鮮少以文獻(xiàn)的形式得以系統(tǒng)闡述，國內(nèi)長春大學(xué)張偉等人在這方面做過研究，但是他們是基于ARM9體系，本文基于ARM9在ARM11體系結(jié)構(gòu)的處理器上做了新的研究和應(yīng)用。
現(xiàn)階段有3類方式可以實(shí)現(xiàn)模擬U盤的功能，虛擬vfat．ing模擬U盤掛載，SD卡模擬U盤掛載，NAND FLASH模擬U盤掛載。NAND FLASH由于其大容量和高性價(jià)比，往往更加流行。本文是通過NAND FLASH實(shí)現(xiàn)模擬U盤的掛載的。
1 NAND FLASH模擬U盤原理分析
嵌入式產(chǎn)品模擬U盤與PC通信是現(xiàn)代嵌入式產(chǎn)品所廣泛應(yīng)用的一種技術(shù)，因此在實(shí)現(xiàn)Linux下NAND FLASH模擬U盤之前先要對Linux下NAND
FLASH模擬U盤的原理進(jìn)行分析。Linux下對模擬U盤存儲(chǔ)設(shè)備的支持就是Linux-USB Gadget驅(qū)動(dòng)的加載，該驅(qū)動(dòng)框架實(shí)現(xiàn)了USB協(xié)議定義的設(shè)備端的軟件功能。
1．1 Linux-Gadget框架
Linux系統(tǒng)中Gadget驅(qū)動(dòng)層序框架分為3層：Gadget驅(qū)動(dòng)層；Gadget API層；UDC層。Gadget驅(qū)動(dòng)層實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)不同的USB功能，例如“USB網(wǎng)卡”、“U盤”、“打印機(jī)”等。Gadget API層，為Gadget提供的一套標(biāo)準(zhǔn)API，由底層USB設(shè)備控制器(USB DevICe Controller，UDC)實(shí)現(xiàn)這套API，Gadget驅(qū)動(dòng)通過調(diào)用這些API實(shí)現(xiàn)與UDC通信。UDC是片上系統(tǒng)(SoC)的一部分，不同的UDC需要不同的驅(qū)動(dòng)，同樣的UDC不同板子代碼也不一樣，這一層為平臺(tái)相關(guān)層，直接訪問訪問硬件，并向上層提供與硬件相關(guān)操作的回調(diào)函數(shù)。Gadget驅(qū)動(dòng)框架原理圖如圖1所示。
UDC層中usb_gadget和usb_ep為2個(gè)描述結(jié)構(gòu)體，分別描述UDC和端點(diǎn)，Gadget API通過這兩個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對UDC的控制。usb_gadget_ops和usb_ep_ops為函數(shù)集結(jié)構(gòu)體，其主要功能是實(shí)現(xiàn)與硬件的交互并實(shí)現(xiàn)返回給上層Gadget API所需信息的功能。usb_gadget_register_driver和usb_gadget_unregister_driver為Gadget框架提供的標(biāo)準(zhǔn)API，是驅(qū)動(dòng)層序的注冊函數(shù)，由UDC層提供，之所以不是通過Gadget API層實(shí)現(xiàn)的原因是，用于將Gadget驅(qū)動(dòng)程序綁定到UDC。xxx_udc_IRQ是UDC設(shè)備的中斷處理函數(shù)，處理設(shè)備及其端點(diǎn)的中斷請求。
Gadget API層為Gadget定義的一組標(biāo)準(zhǔn)API接口函數(shù)，并向上提供編程接口，這一層的存在實(shí)現(xiàn)了將下層UDC驅(qū)動(dòng)和上層Gadget驅(qū)動(dòng)程序的隔離，使得Linux系統(tǒng)中編寫USB設(shè)備側(cè)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)能夠把功能的實(shí)現(xiàn)和底層通信分離。
Gadget驅(qū)動(dòng)程序使用usb_gadget_driver結(jié)構(gòu)體描述，實(shí)現(xiàn)將Gadget驅(qū)動(dòng)與下層設(shè)備控制器相關(guān)聯(lián)，并開啟設(shè)備功能。
1．2 Linux NAND FLASH分區(qū)原理
NAND FLASH作為存儲(chǔ)設(shè)備，存儲(chǔ)著嵌入式產(chǎn)品從開機(jī)到結(jié)束的所有代碼，所以做好存儲(chǔ)設(shè)備的分區(qū)是至關(guān)重要的問題，LINUX操作系統(tǒng)下，分區(qū)如圖2所示。
Linux2.6內(nèi)核中，在文件archarmplat-s3cincludeplatPartition.h中定義了分區(qū)信息如下：
其中“．name”為分區(qū)的名稱，“．offset”為分區(qū)起始地址，“．size”為分區(qū)大小。這個(gè)結(jié)構(gòu)體包涵了NANDFLASH的所有分區(qū)信息。
2 NAND FLASH模擬U盤實(shí)踐方法
2．1 修改內(nèi)核
由于struct mtd_partition s3c_partition_info[]定義了分區(qū)信息，所以首先要修改或者添加分區(qū)信息，使得模擬得到的U盤空間大小符合實(shí)際需求。
在arch＼arm＼plat-s3c＼incIude＼plat＼Partition．h的struct mtd_partition s3c_partition_info[]中添加分區(qū)信息如下：
其中：．name為分區(qū)名稱，定義為U_Strorage，．offset為起始地址，這個(gè)值需要結(jié)合該模塊前面的模塊的大小和起始地址算出；．size為定義的分區(qū)大小，為512 MB。
添加分區(qū)后重新編譯，可在文件系統(tǒng)的／etc下找到相應(yīng)盤符，如：mtdbLOCk4。
2．2 配置內(nèi)核
內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)NAND FLASH模擬U盤掛載的驅(qū)動(dòng)是USB中的Gadget實(shí)現(xiàn)的，所以在實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)功能時(shí)，首先在編譯內(nèi)核的時(shí)候，配置上Gadget功能。具體操作如下：
在內(nèi)核源代碼的根目錄下執(zhí)行#make menuconfig，這時(shí)將會(huì)看到內(nèi)核的菜單選項(xiàng)，選擇：
devICe driver-->
[*]usb support-->
<*>usb gadget support
<*>usb preipheral controller
將usb support功能選中，選擇編譯該功能進(jìn)內(nèi)核，并在usb support功能子目錄中選擇中usb gadget support和usb preipheral contro ller功能，選擇編譯進(jìn)內(nèi)核，做完這些操作后編譯內(nèi)核。
在shell窗口命令行中輸入：
#make zImage
#make modules
在driver／usb／gadget目錄下會(huì)生成g_file_storage．ko和s3c_udc_otg．ko．講這兩個(gè)模塊復(fù)制到目標(biāo)板的文件系統(tǒng)中。
注意：當(dāng)usb gadget support功能非作為模塊編譯進(jìn)內(nèi)核時(shí)，編譯過模塊后需要更新內(nèi)核。而當(dāng)usb gadget support功能作為模塊編譯進(jìn)內(nèi)核時(shí)，(選擇欄應(yīng)填“
2．3 加載模塊
在目標(biāo)板的shell命令窗口中執(zhí)行：
#insmod s3c_udc_otg．ko
#insmod g_file_storage．ko file=／dev／mtdbLOCk4 stall=0 removable=1
這個(gè)時(shí)候?qū)⒛繕?biāo)板連接到PC機(jī)即可看到被模擬的U盤盤符，接著就可以像操作正常U盤一樣對該U盤進(jìn)行操作。
注意：這個(gè)時(shí)候模擬U盤已經(jīng)存在，但是在目標(biāo)板中還看不到該U盤盤符，需要執(zhí)行：
#mkdir／mnt／U_Storage
#mount-t vfat／dev／mtdblock4／U_Storage然后，才能在目標(biāo)板的／mnt／U_Storage下操作這個(gè)U盤。
3 總結(jié)與展望
到此已經(jīng)闡述并實(shí)現(xiàn)了模擬U盤的實(shí)現(xiàn)原理，其實(shí)踐結(jié)果如圖3所示。
從圖中看出屬性中U_Storage的容量為504 MB并不是512 MB，這是因?yàn)閺S家生產(chǎn)存儲(chǔ)介質(zhì)時(shí)，容量是10進(jìn)制，比如1 GB=1 000 MB，但是電腦卻是采用二進(jìn)制，1 GB=210MB，1 MB=210KB，這樣計(jì)算，電腦顯示容量大小要比標(biāo)注的容量小些。在PC機(jī)上在U_Storage中新建一個(gè)名為“zy”的文件夾，然后再在開發(fā)板上新建一個(gè)名為“haha”的文件夾，同時(shí)在Windows下和板子中查看，會(huì)出現(xiàn)如圖4所示信息。
圖4中H盤為PC機(jī)給U_Storage分配的盤符，上層界面為PC串口與開發(fā)板交互的打印信息該信息顯示的是開發(fā)板的內(nèi)容。從圖中可知，H盤中存在“haha”和“zy”兩個(gè)目錄；開發(fā)板與PC交換界面中跳到／mnt／U_Storage／目錄下，用“l(fā)s”命令查得，開發(fā)板交換目錄中存在“haha”和“zy”兩個(gè)目錄，證明U盤和PC交互信息成功。NAND FLASH模擬U盤掛載，使得目標(biāo)板充分利用了U盤的便捷功能，使得攜帶、操作、移植更為方便。Linux下基于ARM11體系結(jié)構(gòu)模擬U盤的實(shí)現(xiàn)使得高端電子產(chǎn)品模擬U盤技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該設(shè)計(jì)是成功的，成功解決了ARM11體系結(jié)構(gòu)下目標(biāo)板作為U盤掛載到PC機(jī)的問題，具有實(shí)際意義。
下載文檔
