前言
這段時間在給板子開發一個升級的功能，板子的Flash使用的是nand flash，使用mtd去管理分區。在正式開始講升級部分之前，我們先了解一下nand flash和mtd的基本知識，最後我還會說一下怎麼升級ubi格式的rootfs分區。
正文
1、nand flash
參考鏈接：https://blog.csdn.net/lee_jimmy/article/details/82084241
想要給nand flash進行升級，我們當然需要了解nand flash的基本特性了。雖然每個廠家的nand flash性能會有差異，但是基本結構是差不多的。比如我手上的這款nand flash（TC58BVG1S3HTAI0），基本情況如下：
x8
Memory cell array 2112 × 128K ×8
Register 2112 ×8
Page size 2112 bytes
Block size (128K + 4K) bytes
意思就是一個page爲2112 bytes = 2k + 64 bytes，其中64 bytes爲OOB的大小，因爲nand flash會發生位反轉，所以OOB一般用來做壞塊校驗；每個block爲(128K + 4K) bytes，即由64個 page組成。其實block是個虛擬的概念，目的是爲了更好的管理存儲空間而已，只有page是真實存在的；另外，nand flash還有一個重要的特性，每一位只能從1寫爲0，不能從0寫爲1。正因爲這個特點，所以在刷寫分區之前，我們都需要將分區擦除一遍，將每一位都刷成1，才能繼續寫入我們的升級包。
2、MTD基礎知識
參考鏈接：https://www.cnblogs.com/pengdonglin137/p/3467960.html
MTD，Memory Technology Device即內存技術設備，對於用到nand Flash的Linux開發板來說，一般都通過mtd驅動來管理分區。
相信很多同學用過dd命令來給自己的開發板升級過bootloader或者kernel，比如EMMC的kernel分區就可以通過dd命令將數據寫入到塊設備節點來升級：dd if=boot.img of=/dev/block/boot。mtd驅動同時提供了字符設備節點和塊設備節點給上層去讀寫分區數據：
字符設備節點：/dev/mtd0
塊設備節點：/dev/mtdblock0
不過我這次要介紹的升級方法，不是直接通過dd命令或者其它命令去讀寫節點，而是利用mtd提供的ioctl接口去升級。這麼做的原因有兩個：
（1）一套正式的升級程序不應該是上層應用直接用命令的方式，而應該將底層的升級程序封裝成接口給上層應用去調用
（2）在底層的升級接口中，我們可以根據需求靈活地定製不同的升級流程
詳細的升級接口我們會在下一節講解，這裏先介紹一下mtd驅動中幾個重要的數據結構：
（1）mtd_info
結構體的定義在include\uapi\mtd\mtd-abi.h：
struct mtd_info_user {
__u8 type;
__u32 flags;
__u32 size; /* Total size of the MTD */
__u32 erasesize;
__u32 writesize;
__u32 oobsize; /* Amount of OOB data per block (e.g. 16) */
__u64 padding; /* Old obsolete field; do not use */
};
（2）mtd字符設備接口
通過一系列ioctl命令可以獲取Flash設備信息、擦除Flash、讀寫NAND 的OOB、獲取OOB layout 及檢查NAND 壞塊等(MEMGETINFO、MEMERASE、MEMREADOOB、MEMWRITEOOB、MEMGETBADBLOCK) 。我們的升級接口程序就是通過一系列的ioctl接口來實現。
定義同樣在：include\uapi\mtd\mtd-abi.h
3、升級接口講解
有了前兩小節的知識，我們正式開始講解升級接口程序。升級程序主要分爲兩大類：
（1）擦除對應的分區並標記壞塊（擦除最小單位爲block）
（2）寫數據到分區（寫入單位爲page）
3.1、擦除接口
static int mtd_erase(const struct mtd_info_user *info, int fd, int eb)
{
int ret = 0;
struct erase_info_user ei;
/*
* ei.start：擦除的起始偏移
* ei.length：擦除的長度
*/
ei.start = eb * info->erasesize;
ei.length = info->erasesize;
/*
* MEMERASE：擦除mtd分區的ioctl number
* ei：賦值後的struct erase_info_user
*/
ret = ioctl(fd, MEMERASE, &ei);
if(ret != 0)
printf(1,"MEMERASE error:error reason = %s",strerror(errno));
return ret;
}
int ufs_mtd_erase(int fd)
{
int ret = 0;
/* 定義mtd_info結構體 */
struct mtd_info_user info;
/* fd：對應分區的字符設備節點文件描述符
* MEMGETINFO：獲取mtd設備分區信息的ioctl number
* info：保存返回結果賦值
*/
ret = ioctl(fd, MEMGETINFO, &info);
if (ret != 0)
return ret;
unsigned int eb, eb_cnt;
uint64_t offset = 0;
/*
* size：mtd分區的大小，一般比實際需要寫入的數據大一定值
* erasesize：一次擦除的大小，一般爲nand Flash的block大小
* eb_cnt：要擦除的次數
*/
eb_cnt = info.size / info.erasesize;
for (eb = 0; eb < eb_cnt; eb++) {
offset = (uint64_t)eb * info.erasesize; /* 擦除的起始偏移 */
int ret = mtd_is_bad(&info, fd, eb); /* 3.2小節 */
if (ret > 0) /* 是壞塊則不擦除，跳過 */
continue;
else if (ret < 0) /* 無法判斷，直接出錯退出 */
return -1;
/* 實際擦除動作在mtd_erase函數 */
if (mtd_erase(&info, fd, eb) != 0) {
/* 3.3小節 */
ret = mtd_set_bad(&info, fd, eb);
if(ret) /* 無法標記爲壞塊則直接退出 */
return -1;
}
}
return ret;
}
3.2、判斷壞塊接口
static int mtd_is_bad(const struct mtd_info_user *info, int fd, int eb)
{
int ret = 0;
loff_t seek;
/*
* seek：block的起始偏移
* MEMGETBADBLOCK：判斷是否爲壞塊的ioctl number
*/
seek = (loff_t)eb * info->erasesize;
ret = ioctl(fd, MEMGETBADBLOCK, &seek);
return ret;
}
3.3、標記壞塊接口
static int mtd_set_bad(const struct mtd_info_user *info, int fd, int eb)
{
int ret = 0;
loff_t seek;
/*
* seek：壞塊的起始偏移
* MEMSETBADBLOCK：標記壞塊的ioctl number
*/
seek = (loff_t)eb * info->erasesize;
ret = ioctl(fd, MEMSETBADBLOCK, &seek);
return ret;
}
3.4、寫分區接口
ssize_t ufs_mtd_writenooob(int fd, char *buf, size_t count)
{
int ret = 0;
/* points to the current page */
char *writebuf = NULL;
char *pblock=NULL;
struct mtd_info_user info;
ret = ioctl(fd, MEMGETINFO, &info);
if (ret != 0)
return ret;
int writesize = info.writesize; /* 每次寫的數據大小，一般爲一頁 */
int oob_size = info.oobsize; /* OOB的大小 */
int eb_size = info.erasesize;
int size = info.size;
int Leftpagesize= 0;
uint64_t offset = 0;
unsigned int eb, eb_cnt,i;
eb_cnt = info.size / info.erasesize; /* 一共多少個block */
long long checkstart = 0;
long long blockstart = lseek(fd, 0, SEEK_CUR); /* 將文件讀寫指針移到文件開始 */
pblock = buf;
/* count值一般等於一個block的大小 */
if(count >eb_size)
DEBUG(1,"param error ,write size is bigger than one block");
/*
* 因爲每次都是一頁一頁的寫數據，所以如果寫入的分區鏡像大小不滿足頁對齊的話，需要將其補齊，並將數據內容填充爲0
*/
if((count%writesize) !=0)
{
Leftpagesize= writesize-(count %writesize);
for(i=0;i<Leftpagesize;i++) /* 將內存最後一個塊也填充爲00 */
{
buf[count+i] = 0x00;
}
}
count=count+Leftpagesize; /* 頁對齊後的大小 */
/*
* 跳過壞塊，不能寫入
*/
for (offset = blockstart; offset < size; offset += eb_size)
{
ret = mtd_is_bad(&info, fd, offset / eb_size);
if (ret > 0) { /* 如果是壞塊，則不寫入 */
continue;
} else if (ret < 0) {
return -1;
} else {
if (lseek(fd, offset, SEEK_SET) != offset)
return -1;
blockstart = (long long)offset; /* 找到了不是壞塊的地方，設置爲開始寫入的偏移 */
break;
}
}
checkstart = blockstart;
int pagelen = writesize + oob_size;
char *data = malloc(pagelen);
if (!data)
{
errno = ENOMEM;
return -1;
}
memset(data, 0xff, pagelen);
/* 每次寫一個page，大小爲writesize */
for (offset = 0; offset < count; offset += writesize)
{
writebuf = buf + offset; /* 指向寫入數據的開始地址 */
/* 將數據寫入到對應的字符設備節點文件描述符 */
ret = write(fd, writebuf, writesize);
if (ret != writesize)
{
DEBUG(1,"cannot write %d bytes to mtd, offset %lld)",
count, blockstart);
goto free_data;
}
blockstart += writesize;
}
/*
* 爲了避免寫入數據有誤，我們這裏可以增加一個校驗接口，也就是調用read函數讀取回來數據，再和源數據比較是否一致。
* 爲了代碼流程簡潔，我就不給出了檢驗接口了
*/
free(data);
ret = count;
return ret;
free_data:
if(data)
free(data);
return -1;
}
/**************************************************************************
* 函數名稱: ufs_writenooob
* 功能描述：不帶oob的鏡像寫入flash(數據非頁對齊時進行填充)
* 參數說明：int fd 設備句柄
* char *buf 鏡像指針
* int img_size 升級的目標鏡像大小
* 返 回 值：正確:返回img_size，寫入flash的數據大小
否則返回錯誤值，錯誤代碼定義見頭文件
*函數說明:
***************************************************************************/
ssize_t ufs_writenooob(int fd, char *buf, size_t img_size)
{
int off;
int ret;
int op_size = 0;
int cnt;
int mtdsize = 0;
ret = ioctl(fd, MEMGETINFO, &info);
if (ret != 0)
return ret;
op_size = info.erasesize; /* 擦除大小 */
mtdsize = info.size; /* mtd分區大小 */
if(mtdsize<img_size) /* 分區比升級包還小肯定要出錯 */
return -1;
/*
* 每次一個block一個block的操作
*/
for(off = 0; off < img_size; off += op_size)
{
if((img_size-off)<op_size)
op_size = img_size-off;
/* 實際寫函數 */
cnt = ufs_mtd_writenooob(fd, buf, op_size);
if(cnt <0)
return -1;
buf =buf+op_size;
}
return img_size;
}
4、ubi格式rootfs鏡像製作、燒錄及分區掛載
參考鏈接：https://blog.csdn.net/hktkfly6/article/details/46961407
4.1、鏡像燒錄
前幾節我們提供的升級接口，其實都是針對裸設備的，何爲裸設備？就是沒有文件系統的，比如uboot和kernel分區都是不帶文件系統的。但是一般的開發板在kernel起來後都會掛載一個根文件系統，也就是我們熟悉的rootfs，裏面會跑各種的應用程序。對於帶文件系統的分區，我們就不能用上面的升級接口了。
我手上開發板的根文件系統是ubi格式的，針對ubi格式的分區，Linux有特定的命令去燒錄：
# ubiformat -h
ubiformat version 1.5.1 - a tool to format MTD devices and flash UBI images
Usage: ubiformat <MTD device node file name> [-s <bytes>] [-O <offs>] [-n]
[-Q <num>] [-f <file>] [-S <bytes>] [-e <value>] [-x <num>] [-y] [-q] [-v] [-h]
[--sub-page-size=<bytes>] [--vid-hdr-offset=<offs>] [--no-volume-table]
[--flash-image=<file>] [--image-size=<bytes>] [--erase-counter=<value>]
[--image-seq=<num>] [--ubi-ver=<num>] [--yes] [--quiet] [--verbose]
[--help] [--version]
Example 1: ubiformat /dev/mtd0 -y - format MTD device number 0 and do
not ask questions.
Example 2: ubiformat /dev/mtd0 -q -e 0 - format MTD device number 0,
be quiet and force erase counter value 0.
而我自己用到的命令就是：
ubiformat -y /dev/mtd4 -f rootfs.ubi
其中，/dev/mtd4代表根文件系統分區的字符設備節點，rootfs.ubi就是我自己製作出來的ubi格式的燒錄鏡像。當然，實際升級程序我們肯定不是用這個命令，但是我們也只需要將ubiformat命令的源碼中的相應接口拿出來用就好了，這裏我就不細說了。
4.2、鏡像製作
4.2.1、製作rootfs.ubifs鏡像
製作鏡像的命令：
mkfs.ubifs -d /jimmy/buildroot/output/target -e 0x1f000 -c 975 -m 2048 -v -o rootfs.ubifs
以上命令的含義爲：
-d：將/jimmy/buildroot/output/target文件夾製作爲UBIFS文件系統鏡像
-o：輸出的鏡像名爲rootfs.ubifs
-m：參數指定了最小的I/O操作的大小，也就是NAND FLASH一個page的大小
-e：參數指定了邏輯擦除快的大小
-c：指定了最大的邏輯塊號
但是上面的命令製作出來的鏡像是不能通過ubiformat進行燒錄的，還需要下面一步：
ubinize -o rootfs.ubi -m 2048 -p 0x20000 -s 2048 ubinize.cfg
以上命令的含義爲：
-o：輸出的鏡像文件，也算最後用ubiformat命令能燒錄的文件
-m：參數指定了最小的I/O操作的大小，也就是NAND FLASH一個page的大小
-p：nand Flash的物理擦除塊大小，可以通過命令查看，第3列的值就是
# cat /proc/mtd
dev: size erasesize name
mtd0: 00200000 00020000 "bootloader"
-s：指定子頁大小,當爲nor flash時，此值應指定爲1，當爲nand flash時需指定此值爲nand flash的子頁大小
ubinize.cfg：配置文件，制定了一些參數
[ubifs]
mode=ubi
vol_id=0
vol_type=dynamic
vol_name=rootfs
vol_alignment=1
vol_flags=autoresize
image=rootfs.ubifs #輸入的鏡像文件
通過上面製作出來的rootfs.ubi鏡像就可以直接用ubiformat來升級分區了。
4.3、分區掛載
我在rootfs.cpio的/init腳本中進行掛載root分區：
if [ -c "/dev/ubi_ctrl" ]; then
ubiattach /dev/ubi_ctrl -m 4
if [ $? -ne 0]; then
ubiattach /dev/ubi_ctrl -m 5
fi
mount -t ubifs /dev/ubi0_0 /mnt
fi
我有兩個rootfs分區，分別對應/dev/mtd4和/dev/mtd5，先嚐試掛載/dev/mtd4，如果失敗了再掛載備份的/dev/mtd5