2018年03月21日 | 基于微处理器S3C6410的NAND FLASH模拟U盘的原理与实现

    本文介绍了嵌入式Linux操作系统下基于三星微处理器S3C6410的NAND FLASH模拟U盘的原理与实现方法。操作系统采用Linux 2．6．28版本，平台为飞凌OK6410-A开发板。采用的方案是通过添加一个512 MB的NAND FLASH分区空间，配置Linux系统USB Gadget功能，实现划分出的512 MB的NAND FLASH空间以U盘存储系统与PC机通信。该方案的文献目前在国内外同等操作系统版本和平台上并无先例。通过上述方案成功地实现了S3C6410开发板划分出512 MB的NAND FLASH空间以U盘形式挂载到了PC机上，实现与PC机的信息交换。

    现阶段嵌入式产品作为U盘挂载到PC机上在各类电子产品中被越来越多的应用，Linux操作系统在电子产品中的应用也越来越广泛，但是Linux中模拟U盘挂载到PC机中，与PC机上通用Windows的通信还很好的达到实现。本文基于ARM11体系结构的处理器，实现了Linux系统下NAND FLASH模拟U盘挂载到PC机上与Windows进行通信。并在飞凌的OK6410-A板上得到验证，实现了该功能。
    目前国内嵌入式产品多用ARM9体系结构，ARM11则用于高端电子产品，NAND FLASH模拟U盘的挂载技术虽然在电子产品中广泛应用，但是对于以新起的Linux操作系统的高端电子产品，这项技术还鲜少以文献的形式得以系统阐述，国内长春大学张伟等人在这方面做过研究，但是他们是基于ARM9体系，本文基于ARM9在ARM11体系结构的处理器上做了新的研究和应用。
    现阶段有3类方式可以实现模拟U盘的功能，虚拟vfat．ing模拟U盘挂载，SD卡模拟U盘挂载，NAND FLASH模拟U盘挂载。NAND FLASH由于其大容量和高性价比，往往更加流行。本文是通过NAND FLASH实现模拟U盘的挂载的。

1 NAND FLASH模拟U盘原理分析
    嵌入式产品模拟U盘与PC通信是现代嵌入式产品所广泛应用的一种技术，因此在实现Linux下NAND FLASH模拟U盘之前先要对Linux下NAND
FLASH模拟U盘的原理进行分析。Linux下对模拟U盘存储设备的支持就是Linux-USB Gadget驱动的加载，该驱动框架实现了USB协议定义的设备端的软件功能。
1．1 Linux-Gadget框架
    Linux系统中Gadget驱动层序框架分为3层：Gadget驱动层；Gadget API层；UDC层。Gadget驱动层实现实现不同的USB功能，例如“USB网卡”、“U盘”、“打印机”等。Gadget API层，为Gadget提供的一套标准API，由底层USB设备控制器(USB DevICe Controller，UDC)实现这套API，Gadget驱动通过调用这些API实现与UDC通信。UDC是片上系统(SoC)的一部分，不同的UDC需要不同的驱动，同样的UDC不同板子代码也不一样，这一层为平台相关层，直接访问访问硬件，并向上层提供与硬件相关操作的回调函数。Gadget驱动框架原理图如图1所示。

    
    UDC层中usb_gadget和usb_ep为2个描述结构体，分别描述UDC和端点，Gadget API通过这两个结构实现对UDC的控制。usb_gadget_ops和usb_ep_ops为函数集结构体，其主要功能是实现与硬件的交互并实现返回给上层Gadget API所需信息的功能。usb_gadget_register_driver和usb_gadget_unregister_driver为Gadget框架提供的标准API，是驱动层序的注册函数，由UDC层提供，之所以不是通过Gadget API层实现的原因是，用于将Gadget驱动程序绑定到UDC。xxx_udc_IRQ是UDC设备的中断处理函数，处理设备及其端点的中断请求。
    Gadget API层为Gadget定义的一组标准API接口函数，并向上提供编程接口，这一层的存在实现了将下层UDC驱动和上层Gadget驱动程序的隔离，使得Linux系统中编写USB设备侧驱动程序时能够把功能的实现和底层通信分离。
    Gadget驱动程序使用usb_gadget_driver结构体描述，实现将Gadget驱动与下层设备控制器相关联，并开启设备功能。

1．2 Linux NAND FLASH分区原理
    NAND FLASH作为存储设备，存储着嵌入式产品从开机到结束的所有代码，所以做好存储设备的分区是至关重要的问题，LINUX操作系统下，分区如图2所示。

    
    Linux2.6内核中，在文件archarmplat-s3cincludeplatPartition.h中定义了分区信息如下：
   
    其中“．name”为分区的名称，“．offset”为分区起始地址，“．size”为分区大小。这个结构体包涵了NANDFLASH的所有分区信息。

2 NAND FLASH模拟U盘实践方法
2．1 修改内核
    由于struct mtd_partition s3c_partition_info[]定义了分区信息，所以首先要修改或者添加分区信息，使得模拟得到的U盘空间大小符合实际需求。
    在arch＼arm＼plat-s3c＼incIude＼plat＼Partition．h的struct mtd_partition s3c_partition_info[]中添加分区信息如下：
   
    
    其中：．name为分区名称，定义为U_Strorage，．offset为起始地址，这个值需要结合该模块前面的模块的大小和起始地址算出；．size为定义的分区大小，为512 MB。
    添加分区后重新编译，可在文件系统的／etc下找到相应盘符，如：mtdbLOCk4。
2．2 配置内核
    内核中实现NAND FLASH模拟U盘挂载的驱动是USB中的Gadget实现的，所以在实现这项功能时，首先在编译内核的时候，配置上Gadget功能。具体操作如下：
    在内核源代码的根目录下执行#make menuconfig，这时将会看到内核的菜单选项，选择：
    devICe driver-->
    [*]usb support-->
    <*>usb gadget support
    <*>usb preipheral controller
    将usb support功能选中，选择编译该功能进内核，并在usb support功能子目录中选择中usb gadget support和usb preipheral contro ller功能，选择编译进内核，做完这些操作后编译内核。
    在shell窗口命令行中输入：
    #make zImage
    #make modules
    在driver／usb／gadget目录下会生成g_file_storage．ko和s3c_udc_otg．ko．讲这两个模块复制到目标板的文件系统中。
    注意：当usb gadget support功能非作为模块编译进内核时，编译过模块后需要更新内核。而当usb gadget support功能作为模块编译进内核时，(选择栏应填“usb gadget support”，其中“M”代表模块)，在编译生成模块后，除了要加载g_file_storage．ko还要加载s3c_udc_otg．ko。

2．3 加载模块
    在目标板的shell命令窗口中执行：
    #insmod s3c_udc_otg．ko
    #insmod g_file_storage．ko file=／dev／mtdbLOCk4 stall=0 removable=1
    这个时候将目标板连接到PC机即可看到被模拟的U盘盘符，接着就可以像操作正常U盘一样对该U盘进行操作。
    注意：这个时候模拟U盘已经存在，但是在目标板中还看不到该U盘盘符，需要执行：
    #mkdir／mnt／U_Storage
    #mount-t vfat／dev／mtdblock4／U_Storage然后，才能在目标板的／mnt／U_Storage下操作这个U盘。

3 总结与展望
    到此已经阐述并实现了模拟U盘的实现原理，其实践结果如图3所示。

    
    从图中看出属性中U_Storage的容量为504 MB并不是512 MB，这是因为厂家生产存储介质时，容量是10进制，比如1 GB=1 000 MB，但是电脑却是采用二进制，1 GB=210MB，1 MB=210KB，这样计算，电脑显示容量大小要比标注的容量小些。在PC机上在U_Storage中新建一个名为“zy”的文件夹，然后再在开发板上新建一个名为“haha”的文件夹，同时在Windows下和板子中查看，会出现如图4所示信息。

    
    图4中H盘为PC机给U_Storage分配的盘符，上层界面为PC串口与开发板交互的打印信息该信息显示的是开发板的内容。从图中可知，H盘中存在“haha”和“zy”两个目录；开发板与PC交换界面中跳到／mnt／U_Storage／目录下，用“ls”命令查得，开发板交换目录中存在“haha”和“zy”两个目录，证明U盘和PC交互信息成功。NAND FLASH模拟U盘挂载，使得目标板充分利用了U盘的便捷功能，使得携带、操作、移植更为方便。Linux下基于ARM11体系结构模拟U盘的实现使得高端电子产品模拟U盘技术得到广泛应用。经实验验证该设计是成功的，成功解决了ARM11体系结构下目标板作为U盘挂载到PC机的问题，具有实际意义。