從NAND閃存中啟動(dòng)U-BOOT的設(shè)計(jì)

摘  要：本文介紹了S3C2410中NAND閃存的工作原理，分析了從NAND閃存啟動(dòng)U-BOOT的設(shè)計(jì)思路，并著重描述了NAND閃存支持U-BOOT的程序設(shè)計(jì)，移植后U-BOOT在嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行良好。
關(guān)鍵詞：U-BOOT；NAND閃存；S3C2410；嵌入式系統(tǒng)

引言
    隨著嵌入式系統(tǒng)的日趨復(fù)雜,它對(duì)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求越來(lái)越緊迫。而嵌入式設(shè)備低功耗、小體積以及低成本的要求,使硬盤(pán)無(wú)法得到廣泛的應(yīng)用。NAND閃存設(shè)備就是為了滿(mǎn)足這種需求而迅速發(fā)展起來(lái)的。目前關(guān)于U-BOOT的移植解決方案主要面向的是微處理器中的NOR 閃存，如果能在微處理器上的NAND 閃存中實(shí)現(xiàn)U-BOOT的啟動(dòng)，則會(huì)給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)極大的方便。

U-BOOT簡(jiǎn)介
    U-BOOT 支持ARM、 PowerPC等多種架構(gòu)的處理器，也支持Linux、NetBSD和VxWorks等多種操作系統(tǒng)，主要用來(lái)開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)初始化代碼bootloader。bootloader是芯片復(fù)位后進(jìn)入操作系統(tǒng)之前執(zhí)行的一段代碼，完成由硬件啟動(dòng)到操作系統(tǒng)啟動(dòng)的過(guò)渡，為運(yùn)行操作系統(tǒng)提供基本的運(yùn)行環(huán)境，如初始化CPU、堆棧、初始化存儲(chǔ)器系統(tǒng)等，其功能類(lèi)似于PC機(jī)的BIOS。U-BOOT執(zhí)行流程圖如圖1所示。

圖1 U-BOOT啟動(dòng)流程圖

NAND閃存工作原理
    S3C2410開(kāi)發(fā)板的NAND閃存由NAND閃存控制器(集成在S3C2410 CPU中)和NAND閃存芯片(K9F1208U0A)兩大部分組成。當(dāng)要訪問(wèn)NAND閃存芯片中的數(shù)據(jù)時(shí),必須通過(guò)NAND閃存控制器發(fā)送命令才能完成。所以, NAND閃存相當(dāng)于S3C2410的一個(gè)外設(shè),而不位于它的內(nèi)存地址區(qū)。

    NAND閃存(K9F1208U0A)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)分層為：1設(shè)備(Device) = 4096 塊(Block);1塊= 32頁(yè)/行(Page/row);1頁(yè)= 528B = 數(shù)據(jù)塊 (512B) + OOB塊 (16B)
在每一頁(yè)中，最后16個(gè)字節(jié)(又稱(chēng)OOB)在NAND閃存命令執(zhí)行完畢后設(shè)置狀態(tài)，剩余512個(gè)字節(jié)又分為前半部分和后半部分?？梢酝ㄟ^(guò)NAND閃存命令00h/01h/50h分別對(duì)前半部、后半部、OOB進(jìn)行定位，通過(guò)NAND閃存內(nèi)置的指針指向各自的首地址。
NAND閃存的操作特點(diǎn)為：擦除操作的最小單位是塊；NAND閃存芯片每一位只能從1變?yōu)?，而不能從0變?yōu)?，所以在對(duì)其進(jìn)行寫(xiě)入操作之前一定要將相應(yīng)塊擦除；OOB部分的第6字節(jié)為壞快標(biāo)志，即如果不是壞塊該值為FF，否則為壞塊；除OOB第6字節(jié)外，通常用OOB的前3個(gè)字節(jié)存放NAND閃存的硬件ECC(校驗(yàn)寄存器)碼；
  
從NAND閃存啟動(dòng)U-BOOT的設(shè)計(jì)思路
    如果S3C2410被配置成從NAND閃存啟動(dòng),上電后，S3C2410的NAND閃存控制器會(huì)自動(dòng)把NAND閃存中的前4K數(shù)據(jù)搬移到內(nèi)部RAM中, 并把0x00000000設(shè)置為內(nèi)部RAM的起始地址, CPU從內(nèi)部RAM的0x00000000位置開(kāi)始啟動(dòng)。因此要把最核心的啟動(dòng)程序放在NAND閃存的前4K中。

    由于NAND閃存控制器從NAND閃存中搬移到內(nèi)部RAM的代碼是有限的,所以, 在啟動(dòng)代碼的前4K里,必須完成S3C2410的核心配置，并把啟動(dòng)代碼的剩余部分搬到RAM中運(yùn)行。在U-BOOT中, 前4K完成的主要工作就是U-BOOT啟動(dòng)的第一個(gè)階段(stage1)。
根據(jù)U-BOOT的執(zhí)行流程圖，可知要實(shí)現(xiàn)從NAND閃存中啟動(dòng)U-BOOT，首先需要初始化NAND閃存,并從NAND閃存中把U-BOOT搬移到RAM中，最后需要讓U-BOOT支持NAND閃存的命令操作。
　　
開(kāi)發(fā)環(huán)境
    本設(shè)計(jì)中目標(biāo)板硬件環(huán)境如下：CPU為S3C2410，SDRAM為HY57V561620，NAND閃存為64MB的K9F1208U0A。

    主機(jī)軟件環(huán)境為Redhat9.0、 u-boot-1.1.3、gcc 2.95.3。修改U-BOOT的Makefile，加入：
wch2410_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t wch2410 NULL s3c24x0

    即將開(kāi)發(fā)板起名為wch2410，接下來(lái)依次進(jìn)行如下操作：
mkdir board/wch2410
cp board/smdk2410 board/wch2410
mv smdk2410.c wch2410.c
cp include/configs/smdk2410.h include/configs/wch2410.h
export PATH=/usr/local/arm/2.95.3/bin:$PATH

    最后執(zhí)行：
make wch2410_config
make all ARCH=arm
生成u-boot.bin，即通過(guò)了測(cè)試編譯。

具體設(shè)計(jì)
支持NAND閃存的啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)
    因?yàn)閁-BOOT的入口程序是/cpu/arm920t/start.S,故需在該程序中添加NAND閃存的復(fù)位程序，以及實(shí)現(xiàn)從NAND閃存中把U-BOOT搬移到RAM中的功能程序。

    首先在/include/configs/wch2410.h中加入CONFIG_S3C2410_NAND_BOOT, 如下：
#define CONFIG_S3C2410_NAND_BOOT 1   @支持從NAND 閃存中啟動(dòng)
然后在/cpu/arm920t/start.S中添加
#ifdef CONFIG_S3C2410_NAND_BOOT
copy_myself:
mov r10, lr
ldr sp, DW_STACK_START      @安裝棧的起始地址
mov fp, #0                  @初始化幀指針寄存器
bl nand_reset               @跳到復(fù)位C函數(shù)去執(zhí)行，執(zhí)行NAND閃存復(fù)位
.......
/*從NAND閃存中把U-BOOT拷貝到RAM*/
ldr r0, =UBOOT_RAM_BASE     @ 設(shè)置第1個(gè)參數(shù): UBOOT在RAM中的起始地址
mov r1, #0x0                @ 設(shè)置第2個(gè)參數(shù):NAND閃存的起始地址
mov r2, #0x20000            @ 設(shè)置第3個(gè)參數(shù): U-BOOT的長(zhǎng)度(128KB)
bl nand_read_whole          @ 調(diào)用nand_read_whole(),把NAND閃存中的數(shù)據(jù)讀入到RAM中
tst r0, #0x0                @ 如果函數(shù)的返回值為0,表示執(zhí)行成功
beq ok_nand_read             @ 執(zhí)行內(nèi)存比較，把RAM中的前4K內(nèi)容與NAND閃存中的前4K內(nèi)容進(jìn)行比較, 如果完全相同, 則表示搬移成功

    其中，nand_reset ()，nand_read_whole()被加在/board/wch2410/wch2410.c中。

支持U-BOOT命令設(shè)計(jì)
    在U-BOOT下對(duì)nand閃存的支持主要是在命令行下實(shí)現(xiàn)對(duì)nand閃存的操作。對(duì)nand閃存實(shí)現(xiàn)的命令為：nand info(打印nand Flash信息)、nand device(顯示某個(gè)nand閃存設(shè)備)、nand read(讀取nand閃存)、nand write(寫(xiě)nand閃存)、nand erease(擦除nand閃存)、nand bad(顯示壞塊)等。

    用到的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有：struct nand_flash_dev、struct nand_chip。前者包括主要的芯片型號(hào)、存儲(chǔ)容量、設(shè)備ID、I/O總線寬度等信息；后者是具體對(duì)NAND閃存進(jìn)行操作時(shí)用到的信息。

a. 設(shè)置配置選項(xiàng)
    修改/include/configs/wch2410.h,主要是在CONFIG_COMMANDS中打開(kāi)CFG_CMD_NAND選項(xiàng)。定義NAND閃存控制器在SFR區(qū)中的起始寄存器地址、頁(yè)面大小，定義NAND閃存命令層的底層接口函數(shù)等。

b. 加入NAND閃存芯片型號(hào)
    在/include/linux/mtd/ nand_ids.h中對(duì)如下結(jié)構(gòu)體賦值進(jìn)行修改:
static struct nand_flash_dev nand_flash_ids[] = {
......
{"Samsung K9F1208U0A", NAND_MFR_SAMSUNG, 0x76, 26, 0, 3, 0x4000, 0},
.......
                                              }
這樣對(duì)于該款NAND閃存芯片的操作才能正確執(zhí)行。
c. 編寫(xiě)NAND閃存初始化函數(shù)
在/board/wch2410/wch2410.c中加入nand_init()函數(shù)。
void nand_init(void)
{
/* 初始化NAND閃存控制器, 以及NAND閃存芯片 */
nand_reset();
/* 調(diào)用nand_probe()來(lái)檢測(cè)芯片類(lèi)型 */
printf ("%4lu MB ", nand_probe(CFG_NAND_BASE) >> 20);
}

該函數(shù)在啟動(dòng)時(shí)被start_armboot()調(diào)用。
   
    最后重新編譯U-BOOT并將生成的u-boot.bin燒入NAND閃存中，目標(biāo)板上電后從串口輸出如下信息：
U-Boot 1.1.3 (Nov 14 2006 - 11:29:50)
U-Boot code: 33F80000 -> 33F9C9E4  BSS: -> 33FA0B28
RAM Configuration:
Bank #0: 30000000 64 MB
## Unknown Flash on Bank 0: ID 0xffff, Size = 0x00000000 = 0 MB
Flash:  0 kB
NAND:  64 MB
In:    serial
Out:   serial
Err:   serial
Hit any key to stop autoboot:  0
wch2410 #

結(jié)語(yǔ)
    以往將U-BOOT移植到ARM9平臺(tái)中的解決方案主要針對(duì)的是ARM9中的NOR閃存，因?yàn)镹OR閃存的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)致使應(yīng)用程序可以直接在其內(nèi)部運(yùn)行，不用把代碼讀到RAM中，移植過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。從NAND閃存中啟動(dòng)U-BOOT的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于NAND閃存需要把U-BOOT的代碼搬移到RAM中，并要讓U-BOOT支持NAND閃存的命令操作。本文介紹了實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)的思路及具體程序。移植后，U-BOOT在嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行良好。

參考文獻(xiàn)
1 杜春雷. ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M]. 北京:清華大學(xué)出版社，2003
2 S3C2410 User’s Mannual[Z].Samsung