U-Boot從NAND Flash啟動的實現(xiàn)

摘要：U-Boot不能從NAND Flash啟動給應(yīng)用帶來些不便，因此修改U-Boot使其支持從NAND Flash啟動。分析了U-Boot啟動流程的兩個階段及實現(xiàn)從NAND Flash啟動的原理和思路，并根據(jù)NAND Flash的物理結(jié)構(gòu)和存儲特點，增加U-Boot對NAND Flash的操作支持，從而完成把存儲在NAND Flash上的U-Boot代碼復(fù)制到SDRAM中執(zhí)行，實現(xiàn)從NAND Flash的啟動。修改過后的U-Boot可以直接從NAND Flash啟動，給應(yīng)用帶來便利。
關(guān)鍵詞：U-Boot；NAND Flash；Boofloader；S3C2440；移植

    Bootloader引導(dǎo)裝載程序是系統(tǒng)上電后運(yùn)行的第一段程序，其作用是完成基本的硬件初始化工作，所以引導(dǎo)裝載程序跟硬件有著緊密的聯(lián)系。因此必須根據(jù)開發(fā)板的硬件配置對引導(dǎo)裝載程序進(jìn)行修改才可以使其運(yùn)行起來。隨著嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜化，大容量數(shù)據(jù)存儲的NAND Flash的應(yīng)用會越來越廣泛，同時U-Boot是功能最豐富的Bootloader，但遺憾的是U-Boot不支持從NAND Flash啟動。所以如果能實現(xiàn)U-Boot從NAND Flash啟動的話將會給應(yīng)用帶來很大的方便。本文討論修改U-Boot使其支持從NAND Flash啟動．采用基于S3C2440的開發(fā)板。

1 U-Boot簡介及流程分析
    U-Boot，全稱universal boot loader，是遵循GPL條款的開放源代碼項目?？梢砸龑?dǎo)多種操作系統(tǒng)，支持多種架構(gòu)的CPU。它支持如下操作系統(tǒng)：Linux、NetBSD、VxWorks等，支持如下架構(gòu)的CPU：PowerPC、MIPS、X86、ARM、NIOS、XSeale等，同時支持NFS掛載，是一個功能豐富的BootLoader。它的整個程序框架清晰，易于移植，許多設(shè)計人員將自己的移植代碼上傳到網(wǎng)站(http：／／sourceforge．net／project-s／u-boot／) 上，更新速度很快。目前的版本是1．1．6，本論文正是采用此版本進(jìn)行說明，U-Boot的目錄結(jié)構(gòu)參見U-Boot源代碼。

    要進(jìn)行U-Boot的修改移植必須了解U-Boot的程序運(yùn)行流程，這是必要的一步。U-Boot屬于兩階段的BootLoader，其啟動流程如圖l所示。第一階段的文件為cpu／arm920t／start．S和board／smdk2410／lowlevel_init．S，用ARM匯編語言編寫，前者是平臺相關(guān)的，后者是開發(fā)板相關(guān)的。第一階段主要是關(guān)于基本硬件的初始化，包括關(guān)閉MMU、CACHE、設(shè)置PLL時鐘比例、關(guān)閉看門狗；初始化SDRAM，為復(fù)制第二階段代碼做準(zhǔn)備，最后復(fù)制第二階段代碼到SDRAM中，然后跳到SDRAM中運(yùn)行第二階段。第二階段代碼都是用C語言編寫的，功能更加復(fù)雜。主要是進(jìn)一步初始化硬件設(shè)備、檢測內(nèi)存映射、復(fù)制內(nèi)核鏡像和根文件系統(tǒng)到SDRAM以及設(shè)置啟動參數(shù)從而啟動內(nèi)核。[!--empirenews.page--]

2 支持NAND啟動的代碼修改
2．1 添加NAND Hash的初始化函數(shù)
    U-Boot中關(guān)于NAND Hash的初始化流程如下：在上電后最先運(yùn)行的匯編程序cpu＼arm920t＼start．S中調(diào)用start_armboot函數(shù)，而star-t_armboot該函數(shù)則調(diào)用了一系列的關(guān)于設(shè)備的初始化函數(shù)。這一系列的函數(shù)中包含一個名為nand_init的函數(shù)，nand_init就是完成NAND Ha-sh的初始化工作。
    在1．1．6版本的U-Boot的include＼linux＼mtd＼nand．h中定義了nand_chip結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體中定義了關(guān)于NAND Hash操作的所有函數(shù)，包括讀、寫、ECC校驗等，而這些函數(shù)在U-Boot中都有完整編寫，只是有些個別函數(shù)需要根據(jù)自己的要求重新編寫。而實現(xiàn)NAND Flash初始化的nand_init函數(shù)主要任務(wù)就是完成這些需要重新編寫的函數(shù)和用這些函數(shù)連同U-Boot中其他默認(rèn)函數(shù)來初始化nand_chip結(jié)構(gòu)體。NAND-_init中的board_nand_init函數(shù)在U-Boot中并未實現(xiàn)，顯然需要重新編寫的函數(shù)就在其內(nèi)添加。
    先在cpu＼arm920t＼s3c24x0中添加nand．c文件，然后在該文件中實現(xiàn)所需要的初始化函數(shù)。一般只需要重新編寫nand_ehip結(jié)構(gòu)體中相對應(yīng)的hweontrol、dev_ready和select_chip函數(shù)。這些函數(shù)的構(gòu)建可參照linux內(nèi)核2．6版本里的drivers＼mtd＼nand＼s3e2410．e文件來進(jìn)行編寫，如內(nèi)核文件中的s3c2440_nand_hwcontrol,s3c2440_nand_devready,s3c2410nand_select_chip函數(shù)，然后將其賦值給nand_chip結(jié)構(gòu)體中對應(yīng)的函數(shù)。

2．2 實現(xiàn)NAND啟動
    由于NAND的自身特點，對NAND Flash的操作不能像對NOR Flash那樣方便地直接對地址進(jìn)行操作，而是通過讀寫NAND Flash控制器的寄存器來完成。三星公司的S3C2440自帶NAND Flash控制器，寄存器的地址是從nGCS4的地址開始。S3C2440處理器有NOR和NAND兩種啟動模式，當(dāng)選擇從NAND模式啟動時，S3C2440會把NAND Hash的前4K數(shù)據(jù)搬運(yùn)到內(nèi)部稱為Steppingstone的硬件中，同時把Steppingstone映射到地址0X00處，從而啟動，啟動完成后處理器會把Steppingstone釋放掉以作為他用。U-Boot的一般大小都上100 K，遠(yuǎn)大于4 K，所以實現(xiàn)從NAND啟動的原理就是讓前4K代碼完成基本初始化，重要的是把NAND Flash中的U-Boot代碼復(fù)制到SDRAM中，從而跳到SDRAM中去執(zhí)行。分析可知，S3C2440的該特點為U-Boot從NAND Flash啟動提供了可能。本文討論的實現(xiàn)思路就是依據(jù)此原理。
    源代碼中有／board／smdk2410／U-boot／lds，該文件是U-Boot代碼的鏈接腳本，有如下代碼：
   
    可以看到Text段也就是程序代碼段，被編譯鏈接到OX00地址處，同時start．S編譯后的目標(biāo)文件start．O被放到text段的第一個文件處，所以start．S就是程序上電運(yùn)行的第一段代碼，而／cpu／arm920t／start．S這個匯編文件正是U-Boot的程序代碼入口。因此代碼修改和添加主要在start．S中完成，以此來保證NAND啟動代碼可以在最終程序編譯鏈接所生成的文件的前4K內(nèi)。
    NAND Flash讀寫操作比較復(fù)雜，匯編實現(xiàn)較為麻煩，沒有C語言簡單容易，因此用C語言實現(xiàn)對NAND的操作復(fù)制工作，最后在start．S中調(diào)用編寫的C程序即可。[!--empirenews.page--]
    在／board／smdk2410／中添加boot_init．c文件，在其中實現(xiàn)nand_reset(nand重置函數(shù))、wait_idle(等待即查詢設(shè)備是否讀寫就位)、nand_select_chip(片選使能)、nand_dleselect_chip(取消片選)、write_cmd(寫命令)、write_addr(寫地址)、read_data(讀數(shù)據(jù))、nand_init(nand控制器初始化)這些子函數(shù)和copy2ram函數(shù)，同時在copy2ram中依據(jù)NAND Flash的讀寫操作特點來調(diào)用這些子函數(shù)。具體操作流程如圖2所示。

    對NAND Flash中的代碼復(fù)制操作函數(shù)已經(jīng)完成，接下來只要在start．S中調(diào)用copy2ram函數(shù)就完成工作。匯編文件start．S中，reloca-te、copy_loop段代碼為U-Boot中原先的復(fù)制代碼過程，去掉這2段代碼，添加自己的代碼。由于編寫的是C代碼，所以在start．S中調(diào)用cop-y2ram函數(shù)前必須先設(shè)定好指針、堆棧，另外copy2ram要用到的參數(shù)是通過r0、r1、r2寄存器傳遞的。
    在stack_setup設(shè)置堆棧代碼后面添加如下代碼：

        上面第一段代碼主要是檢測程序是否已經(jīng)在內(nèi)存中運(yùn)行，如果已經(jīng)在內(nèi)存中，顯然代碼就無需復(fù)制，程序就會跳過復(fù)制階段往后執(zhí)行，第二段是設(shè)定參數(shù)，把參數(shù)放入相應(yīng)寄存器，最后調(diào)用copy2ram函數(shù)。
    自此關(guān)于NAND啟動的主要代碼修改和添加已經(jīng)完成，但還有很重要的一處需要修改，關(guān)于環(huán)境參數(shù)的存放問題。環(huán)境參數(shù)緊隨著U-Boot在NAND Flash中存放，在其之后是內(nèi)核鏡像文件。在U-Boot的第二階段中有個名為env．relocate的函數(shù)，它會把環(huán)境參數(shù)復(fù)制到RAM中，而環(huán)境參數(shù)中需要向Linux內(nèi)核傳遞的參數(shù)會在內(nèi)核啟動前重新構(gòu)建成標(biāo)記列表，同時把該標(biāo)記列表放在跟內(nèi)核約定好的地址處。因此必須指明環(huán)境參數(shù)的存放位置，否則無法復(fù)制到內(nèi)存，從而需要傳遞到內(nèi)核的參數(shù)也就無法完成傳遞。修改如下：在／include／configs／smdk241-0．h中添加：

        第一行指定環(huán)境變量在NAND Flash中，后面2行分別指定其在NAND Flash中的大小和偏移量。關(guān)于NAND啟動的部分全部完成。

3 U-Boot其他部分修改
    由于所開發(fā)的開發(fā)板是基于S3C2440的，U-Boot中沒有S3C2440的配置文件，只能仍用SMDK2410模板來進(jìn)行修改。主要修改有兩處：1)在／include／s3c24xO．h中添加S3C2440_NAND結(jié)構(gòu)體；2)由于S3C2410和S3C2440的時鐘寄存器有些不一樣，所以需要修改時鐘獲得函數(shù)，在／cpu／arm920t／s3c24xO／speed．c修改。特別要注意的是機(jī)器ID的問題，在／include／asm-arm／mach-types．h中定義了各個開發(fā)板的ID號，必須要保證所定義的開發(fā)板的ID號跟內(nèi)核一致，否則內(nèi)核無法啟動。

4 結(jié)束語
    針對U-Boot不支持從NAND啟動的缺點，對其進(jìn)行修改。添加了關(guān)于NAND Flash的操作函數(shù)和支持從NAND啟動的函數(shù)。本文詳細(xì)闡述了U-Boot從NAND肩動的原理和修改過程。修改過后的U-Boot可以直接從NAND Flash啟動，這樣就可以摒棄傳統(tǒng)依賴NOR Flash啟動的硬件設(shè)計，使用只依賴NAND Flash作為存儲器的硬件設(shè)計，從而簡化電路，給應(yīng)用帶來極大方便。