MTD 子系统:flash 存储(NAND/NOR/SPI-NOR)的统一抽象

🔨 整理中 · 这一篇深入讲 MTD(Memory Technology Device) 子系统——NAND/NOR/SPI-NOR flash 存储在内核里的统一抽象。素材以 6.19 源码 + kernel.org MTD 文档为权威。它和块设备(ext4 那种)很不一样:flash 不能随便覆盖写、要按块擦除、NAND 还有坏块——所以有专门一层。

做什么

flash(NAND/NOR/SPI-NOR)是嵌入式的主力非易失存储:U-Boot + 内核 + rootfs + 配置全躺在 flash 上。可它和磁盘/SD 卡(块设备)有三个根本区别,导致它不能直接套块设备框架:

写前必须擦除:flash 的物理特性是"只能把 1 写成 0",要把 0 改回 1 必须先擦除整个块(把块全置 1),擦除粒度远大于写粒度(NAND 典型:写 4KB page / 擦 256KB eraseblock)。
擦除次数有限:每个块只能擦几万~十万次(NAND ~10万、NOR ~10万),到点就坏——必须做磨损均衡(wear leveling),把写均匀分散到各块。
NAND 有坏块:出厂就有坏块、用中还会产生新坏块,要**坏块管理(BBM)**标记/避开。

MTD 子系统(drivers/mtd/)就是为这套特性设计的存储层。它上面挂文件系统(JFFS2/UBIFS——专为 flash 设计的"日志结构"fs),下面接各 flash 控制器驱动(NAND/eMMC/SPI-NOR/OneNAND...)。这一篇拆 MTD 的三层结构、mtd_info 核心结构、NAND vs NOR 差异、以及 UBI/UBIFS 怎么在 MTD 上解决磨损均衡和坏块。

要了解什么

一、MTD 的三层结构

┌─────────────────────────────────────┐
│  文件系统层:JFFS2 / UBIFS / ...      │  ← 专为 flash 设计的 fs
├─────────────────────────────────────┤
│  UBI(Unsorted Block Images)         │  ← 可选:在 raw NAND 上做卷管理+磨损均衡
├─────────────────────────────────────┤
│  MTD 核心(drivers/mtd/mtdcore.c)    │  ← 统一抽象 mtd_info
├─────────────────────────────────────┤
│  flash 类型驱动                      │
│  NAND(drivers/mtd/nand/)/           │
│  NOR(drivers/mtd/maps/)/            │
│  SPI-NOR(drivers/mtd/spi-nor/)/     │
│  SPI-NAND(drivers/mtd/nand/spi/)    │
└─────────────────────────────────────┘
   flash 控制器硬件(NAND/eMMC/SPI 控制器)

最底层是 flash 控制器驱动(管硬件时序、DMA),它向上注册成 mtd_info;MTD 核心提供 /dev/mtdN(字符接口,直接读/写/擦)、/dev/mtdblockN(块接口,凑合用)、IOCTL;再上面是文件系统(直接挂 raw MTD 用 JFFS2,或先过 UBI 再挂 UBIFS)。

二、`struct mtd_info`:一个 MTD 设备的化身

struct mtd_info(include/linux/mtd/mtd.h:238)是 MTD 核心。关键字段 + 回调:

struct mtd_info {
    u_char type;              /* MTD_NANDFLASH / MTD_NORFLASH / MTD_RAM */
    uint32_t flags;           /* MTD_WRITEABLE / MTD_NO_ERASE / MTD_BIT_WRITEABLE... */
    uint64_t size;            /* 总大小 */
    uint32_t erasesize;       /* 擦除块大小(NAND ~128-512KB,NOR ~64-128KB) */
    uint32_t writesize;       /* 写粒度(NAND page: 2-4KB,NOR ~1 字节) */
    uint32_t oobsize;         /* OOB 区大小(NAND 独有,放 ECC/坏块标记) */
    const char *name;
    ...
    int  (*_read)(struct mtd_info *mtd, loff_t from, size_t len, ...);   /* 读 */
    int  (*_write)(struct mtd_info *mtd, loff_t to, size_t len, ...);    /* 写(只能 1→0) */
    int  (*_erase)(struct mtd_info *mtd, struct erase_info *instr);       /* 擦(块置 1) */
    int  (*_read_oob)(...);    /* 读 OOB(NAND) */
    int  (*_write_oob)(...);   /* 写 OOB */
    int  (*_block_isbad)(...); /* 查坏块(NAND) */
    int  (*_block_markbad)(...); /* 标坏块 */
    ...
};

type/erasesize/writesize/oobsize 这些几何参数决定了"这 flash 怎么用"。_read/_write/_erase/_read_oob/_write_oob/_block_isbad 是 flash 类型驱动(NAND/NOR/...)填的回调,MTD 核心和文件系统通过 mtd_info 这些指针操作硬件,不直接碰控制器寄存器。

三、NAND vs NOR vs SPI-NOR

	NOR	NAND	SPI-NOR
读	随机读、像 RAM(XIP 可直接执行代码)	顺序读快、随机慢	通过 SPI,慢于并行 NOR
写粒度	单字节/bit	page(2-4KB)	page/扇区
擦除块	均匀 ~64-128KB	~128-512KB	~4-64KB
容量	小(几 MB)	大(几 GB)	中(几-几十 MB)
坏块	无	有(出厂+运行中)	一般无
OOB/ECC	无	有(OOB 存 ECC + 坏块标记)	一般无
典型用途	存 U-Boot/内核(XIP 启动)	大容量 rootfs/数据	小容量固件/配置(SPI 总线挂)

NOR 因为能像 RAM 随机读,支持 XIP(eXecute In Place)——CPU 直接从 NOR flash 取指令执行,不用先拷到 RAM(早期 U-Boot 就 XIP 在 NOR 上)。NAND 容量大但有坏块、要 ECC,所以 NAND 上必须用 JFFS2/UBIFS 这种"带坏块管理 + ECC + 磨损均衡"的文件系统,不能直接 ext4。

四、OOB 与 ECC(NAND 独有)

NAND 的每个 page 除了主数据区,还有一小段 OOB(Out-Of-Band) 区(几十字节)。OOB 的用途:

ECC(纠错码):NAND 读取有比特翻转(读多了/老化),OOB 存软件 ECC(Hamming/BCH/RS),读时校验+纠错(1-bit 翻转能纠正、多了报错)。现代 NAND(Bit Error Rate 高)必须用强 ECC(BCH 4/8/24-bit、甚至需要硬件 ECC 引擎)。
坏块标记:出厂坏块 + 运行中坏块,在 OOB 特定位置标记(MTB 一般在 page 0/1 的 OOB)。
文件系统元数据:JFFS2/UBIFS 用 OOB 存自己的节点头。

mtd_info._read_oob/_write_oob/_block_isbad 就是处理这套。_read/_write 对 NAND 也隐含走 OOB 的 ECC(读时校验、写时算 ECC 写 OOB)。

五、分区:`mtd_partition`

一块 flash 物理上常分成几段:U-Boot 分区 / 内核分区 / rootfs 分区 / 数据分区。MTD 用 struct mtd_partition(include/linux/mtd/partitions.h:46)描述:

struct mtd_partition {
    const char *name;        /* "kernel" / "rootfs" / ... */
    uint64_t size;           /* 分区大小(MTD_PART_SIZE_SIZ 为用剩余) */
    uint64_t offset;         /* 起始偏移 */
    uint32_t mask_flags;     /* MTD_WRITEABLE(只读,保护内核/U-Boot 分区) */
    ...
};

分区来源:设备树(partitions { ... } 节点,6.x 主流 fixed-partitions)、或 cmdline mtdparts=(老式)。注册后每个分区变成独立的 mtd_info(mtd0=整片、mtd1=kernel、mtd2=rootfs...),用户态 /dev/mtdN 各对应一个,可独立读写擦。mtdparts=spi0.0:1M(uboot)ro,4M(kernel),-(rootfs) 这种 cmdline 在老内核常见,现代用设备树 fixed-partitions。

六、UBI/UBIFS:在 raw NAND 上的卷管理 + 文件系统

直接在 raw NAND MTD 上挂 JFFS2 可以,但 JFFS2 在大容量 NAND 上挂载慢、磨损均衡弱。所以有 UBI(Unsorted Block Images,drivers/mtd/ubi/):

UBI 在 MTD 之上做卷管理(把物理 eraseblock 池,逻辑切成多个 UBI volume)+ 磨损均衡(把写均匀分散到所有 eraseblock,即便某个 volume 写得多)+ **坏块管理"(跳过坏 eraseblock)。
UBIFS(fs/ubifs/)挂在 UBI volume 上,是专为 NAND 设计的现代文件系统(支持压缩、快速挂载、断电安全)。
所以大容量 NAND rootfs 典型链路:NAND 硬件 → MTD → UBI → UBIFS。

七、用户态接口

/dev/mtdN(字符):read/write 直接读写(写前要 MEMUNLOCK + MEMERASE ioctl 擦除);flashcp/flash_erase/nandwrite 工具操作它。
/dev/mtdblockN(块):把 MTD 包成块设备,但没有磨损均衡(凑合用,不建议挂可写 fs)。
/proc/mtd:列出所有 mtd 设备 + 几何(size/erasesize)。
mtd_debug/nanddump/nandwrite/flash_eraser:MTD 工具集(mtd-utils 包)。

八、踩坑

NAND 写前必须擦:直接 _write 到没擦的区域,行为未定义(可能写失败/数据错)。MTD 字符接口要求用户态先 MEMERASE 再 write;nandwrite 工具自动按 erase 擦。
NAND 坏块:别假设"flash 所有块都好"——出厂坏块表要保留、运行中新坏块要标记。直接绕过 UBI 用 raw MTD,得自己处理坏块(难);用 UBI 它替你管。
mtdblock 不适合可写 fs:它没磨损均衡、没坏块管理,频繁写会很快写坏某块。可写 fs 用 JFFS2/UBIFS(走 raw MTD 字符接口 + fs 自己管)。
ECC 强度:老 NAND 用 1-bit Hamming 够,新 NAND(MLC/TLC、高密度)必须 BCH 8/24/40-bit 甚至硬件 ECC,配错 ECC 强度会数据损坏。

动手试试

cat /proc/mtd(若系统有 MTD)看 mtd 设备 + 几何;mtdinfo /dev/mtdN 看详细
QEMU 可加 -drive if=pflash,format=raw,file=flash.img(NOR)、或 -machine virt 自带的 flash,在 Guest 里看 /dev/mtd*
读一个 SPI-NOR 驱动(drivers/mtd/spi-nor/ 下如 spi-nor-core.c / controllers/)看 mtd_info 怎么填(_read/_write/_erase 调 SPI 传输)
flash_erase /dev/mtdN 0 0 + nandwrite /dev/mtdN image.bin(若有 mtd-utils),体验"擦-写"流程
思考题:为什么 NAND 不能直接挂 ext4(像 SD 卡那样)?结合本篇前三个根本区别答

延伸阅读

源码(本仓库 third_party/linux/,6.19.9):include/linux/mtd/mtd.h:238 struct mtd_info、include/linux/mtd/partitions.h:46 struct mtd_partition;MTD 核心 drivers/mtd/mtdcore.c/mtdchar.c(dev/mtdN)/mtdblock.c(mtdblockN);NAND 子系统 drivers/mtd/nand/(raw NAND + SPI-NAND)、SPI-NOR drivers/mtd/spi-nor/、NOR(map-based)drivers/mtd/maps/;UBI drivers/mtd/ubi/、UBIFS fs/ubifs/、JFFS2 fs/jffs2/。
kernel.org:MTD、Documentation/devicetree/bindings/mtd/;mtd-utils(用户态工具)项目。
关联本站:10 platform NAND/SPI-NOR 控制器是 platform 设备、24 spi SPI-NOR 走 SPI;UBIFS/MTD 作为存储是 05 ext4 块设备 fs 的"flash 侧对照"。

做什么 ​

要了解什么 ​

一、MTD 的三层结构 ​

二、struct mtd_info:一个 MTD 设备的化身 ​

三、NAND vs NOR vs SPI-NOR ​

四、OOB 与 ECC(NAND 独有) ​

五、分区:mtd_partition ​

六、UBI/UBIFS:在 raw NAND 上的卷管理 + 文件系统 ​

七、用户态接口 ​

八、踩坑 ​

动手试试 ​

延伸阅读 ​

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