从NAND闪存中启动U-BOOT的设计

摘  要：本文介绍了S3C2410中NAND闪存的工作原理，分析了从NAND闪存启动U-BOOT的设计思路，并着重描述了NAND闪存支持U-BOOT的程序设计，移植后U-BOOT在嵌入式系统中运行良好。
关键词：U-BOOT；NAND闪存；S3C2410；嵌入式系统

引言
    随着嵌入式系统的日趋复杂,它对大容量数据存储的需求越来越紧迫。而嵌入式设备低功耗、小体积以及低成本的要求,使硬盘无法得到广泛的应用。NAND闪存设备就是为了满足这种需求而迅速发展起来的。目前关于U-BOOT的移植解决方案主要面向的是微处理器中的NOR 闪存，如果能在微处理器上的NAND 闪存中实现U-BOOT的启动，则会给实际应用带来极大的方便。

U-BOOT简介
    U-BOOT 支持ARM、 PowerPC等多种架构的处理器，也支持Linux、NetBSD和VxWorks等多种操作系统，主要用来开发嵌入式系统初始化代码bootloader。bootloader是芯片复位后进入操作系统之前执行的一段代码，完成由硬件启动到操作系统启动的过渡，为运行操作系统提供基本的运行环境，如初始化CPU、堆栈、初始化存储器系统等，其功能类似于PC机的BIOS。U-BOOT执行流程图如图1所示。

图1 U-BOOT启动流程图

NAND闪存工作原理
    S3C2410开发板的NAND闪存由NAND闪存控制器(集成在S3C2410 CPU中)和NAND闪存芯片(K9F1208U0A)两大部分组成。当要访问NAND闪存芯片中的数据时,必须通过NAND闪存控制器发送命令才能完成。所以, NAND闪存相当于S3C2410的一个外设,而不位于它的内存地址区。

    NAND闪存(K9F1208U0A)的数据存储结构分层为：1设备(Device) = 4096 块(Block);1块= 32页/行(Page/row);1页= 528B = 数据块 (512B) + OOB块 (16B)
在每一页中，最后16个字节(又称OOB)在NAND闪存命令执行完毕后设置状态，剩余512个字节又分为前半部分和后半部分。可以通过NAND闪存命令00h/01h/50h分别对前半部、后半部、OOB进行定位，通过NAND闪存内置的指针指向各自的首地址。
NAND闪存的操作特点为：擦除操作的最小单位是块；NAND闪存芯片每一位只能从1变为0，而不能从0变为1，所以在对其进行写入操作之前一定要将相应块擦除；OOB部分的第6字节为坏快标志，即如果不是坏块该值为FF，否则为坏块；除OOB第6字节外，通常用OOB的前3个字节存放NAND闪存的硬件ECC(校验寄存器)码；
  
从NAND闪存启动U-BOOT的设计思路
    如果S3C2410被配置成从NAND闪存启动,上电后，S3C2410的NAND闪存控制器会自动把NAND闪存中的前4K数据搬移到内部RAM中, 并把0x00000000设置为内部RAM的起始地址, CPU从内部RAM的0x00000000位置开始启动。因此要把最核心的启动程序放在NAND闪存的前4K中。

    由于NAND闪存控制器从NAND闪存中搬移到内部RAM的代码是有限的,所以, 在启动代码的前4K里,必须完成S3C2410的核心配置，并把启动代码的剩余部分搬到RAM中运行。在U-BOOT中, 前4K完成的主要工作就是U-BOOT启动的第一个阶段(stage1)。
根据U-BOOT的执行流程图，可知要实现从NAND闪存中启动U-BOOT，首先需要初始化NAND闪存,并从NAND闪存中把U-BOOT搬移到RAM中，最后需要让U-BOOT支持NAND闪存的命令操作。
　　
开发环境
    本设计中目标板硬件环境如下：CPU为S3C2410，SDRAM为HY57V561620，NAND闪存为64MB的K9F1208U0A。

    主机软件环境为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

    即将开发板起名为wch2410，接下来依次进行如下操作：
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

    最后执行：
make wch2410_config
make all ARCH=arm
生成u-boot.bin，即通过了测试编译。

具体设计
支持NAND闪存的启动程序设计
    因为U-BOOT的入口程序是/cpu/arm920t/start.S,故需在该程序中添加NAND闪存的复位程序，以及实现从NAND闪存中把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   @支持从NAND 闪存中启动
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      @安装栈的起始地址
mov fp, #0                  @初始化帧指针寄存器
bl nand_reset               @跳到复位C函数去执行，执行NAND闪存复位
.......
/*从NAND闪存中把U-BOOT拷贝到RAM*/
ldr r0, =UBOOT_RAM_BASE     @ 设置第1个参数: UBOOT在RAM中的起始地址
mov r1, #0x0                @ 设置第2个参数:NAND闪存的起始地址
mov r2, #0x20000            @ 设置第3个参数: U-BOOT的长度(128KB)
bl nand_read_whole          @ 调用nand_read_whole(),把NAND闪存中的数据读入到RAM中
tst r0, #0x0                @ 如果函数的返回值为0,表示执行成功
beq ok_nand_read             @ 执行内存比较，把RAM中的前4K内容与NAND闪存中的前4K内容进行比较, 如果完全相同, 则表示搬移成功

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

支持U-BOOT命令设计
    在U-BOOT下对nand闪存的支持主要是在命令行下实现对nand闪存的操作。对nand闪存实现的命令为：nand info(打印nand Flash信息)、nand device(显示某个nand闪存设备)、nand read(读取nand闪存)、nand write(写nand闪存)、nand erease(擦除nand闪存)、nand bad(显示坏块)等。

    用到的主要数据结构有：struct nand_flash_dev、struct nand_chip。前者包括主要的芯片型号、存储容量、设备ID、I/O总线宽度等信息；后者是具体对NAND闪存进行操作时用到的信息。

a. 设置配置选项
    修改/include/configs/wch2410.h,主要是在CONFIG_COMMANDS中打开CFG_CMD_NAND选项。定义NAND闪存控制器在SFR区中的起始寄存器地址、页面大小，定义NAND闪存命令层的底层接口函数等。

b. 加入NAND闪存芯片型号
    在/include/linux/mtd/ nand_ids.h中对如下结构体赋值进行修改:
static struct nand_flash_dev nand_flash_ids[] = {
......
{"Samsung K9F1208U0A", NAND_MFR_SAMSUNG, 0x76, 26, 0, 3, 0x4000, 0},
.......
                                              }
这样对于该款NAND闪存芯片的操作才能正确执行。
c. 编写NAND闪存初始化函数
在/board/wch2410/wch2410.c中加入nand_init()函数。
void nand_init(void)
{
/* 初始化NAND闪存控制器, 以及NAND闪存芯片 */
nand_reset();
/* 调用nand_probe()来检测芯片类型 */
printf ("%4lu MB ", nand_probe(CFG_NAND_BASE) >> 20);
}

该函数在启动时被start_armboot()调用。
   
    最后重新编译U-BOOT并将生成的u-boot.bin烧入NAND闪存中，目标板上电后从串口输出如下信息：
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 #

结语
    以往将U-BOOT移植到ARM9平台中的解决方案主要针对的是ARM9中的NOR闪存，因为NOR闪存的结构特点致使应用程序可以直接在其内部运行，不用把代码读到RAM中，移植过程相对简单。从NAND闪存中启动U-BOOT的设计难点在于NAND闪存需要把U-BOOT的代码搬移到RAM中，并要让U-BOOT支持NAND闪存的命令操作。本文介绍了实现这一设计的思路及具体程序。移植后，U-BOOT在嵌入式系统中运行良好。

参考文献
1 杜春雷. ARM体系结构与编程[M]. 北京:清华大学出版社，2003
2 S3C2410 User’s Mannual[Z].Samsung