從NAND閃存中啟動U-BOOT的設計

隨著嵌入式系統的日趨復雜,它對大容量數據存儲的需求越來越緊迫。而嵌入式設備低功耗、小體積以及低成本的要求,使硬盤無法得到廣泛的應用。NAND閃存設備就是為了滿足這種需求而迅速發展起來的。目前關于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 閃存中實現U-BOOT的啟動，則會給實際應用帶來極大的方便。

U-BOOT簡介

U-BOOT 支持ARM、 PowerPC等多種架構的處理器，也支持Linux、NetBSD和VxWorks等多種操作系統，主要用來開發嵌入式系統初始化代碼bootloader。bootloader是芯片復位后進入操作系統之前執行的一段代碼，完成由硬件啟動到操作系統啟動的過渡，為運行操作系統提供基本的運行環境，如初始化CPU、堆棧、初始化存儲器系統等，其功能類似于PC機的BIOS。U-BOOT執行流程圖如圖1所示。

　　圖1 U-BOOT啟動流程圖

NAND閃存工作原理

S3C2410開發板的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。當要訪問NAND閃存芯片中的數據時,必須通過NAND閃存控制器發送命令才能完成。所以, NAND閃存相當于S3C2410的一個外設,而不位于它的內存地址區。

NAND閃存(K9F1208U0A)的數據存儲結構分層為：1設備(Device) = 4096 塊(Block);1塊= 32頁/行(Page/row);1頁= 528B = 數據塊 (512B) + OOB塊 (16B)在每一頁中，最后16個字節(又稱OOB)在NAND閃存命令執行完畢后設置狀態，剩余512個字節又分為前半部分和后半部分。可以通過NAND閃存命令00h/01h/50h分別對前半部、后半部、OOB進行定位，通過NAND閃存內置的指針指向各自的首地址。

NAND閃存的操作特點為：擦除操作的最小單位是塊；NAND閃存芯片每一位只能從1變為0，而不能從0變為1，所以在對其進行寫入操作之前一定要將相應塊擦除；OOB部分的第6字節為壞快標志，即如果不是壞塊該值為FF，否則為壞塊；除OOB第6字節外，通常用OOB的前3個字節存放NAND閃存的硬件ECC(校驗寄存器)碼；

從NAND閃存啟動U-BOOT的設計思路

如果S3C2410被配置成從NAND閃存啟動,上電后，S3C2410的NAND閃存控制器會自動把NAND閃存中的前4K數據搬移到內部RAM中, 并把0x00000000設置為內部RAM的起始地址, CPU從內部RAM的0x00000000位置開始啟動。因此要把最核心的啟動程序放在NAND閃存的前4K中。

由于NAND閃存控制器從NAND閃存中搬移到內部RAM的代碼是有限的,所以, 在啟動代碼的前4K里,必須完成S3C2410的核心配置，并把啟動代碼的剩余部分搬到RAM中運行。在U-BOOT中, 前4K完成的主要工作就是U-BOOT啟動的第一個階段(stage1)。

根據U-BOOT的執行流程圖，可知要實現從NAND閃存中啟動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。 開發環境

本設計中目標板硬件環境如下：CPU為S3C2410，SDRAM為HY57V561620，NAND閃存為64MB的K9F1208U0A。

主機軟件環境為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

即將開發板起名為wch2410，接下來依次進行如下操作：
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

最后執行：
make wch2410_config
make all ARCH="arm"
生成u-boot.bin，即通過了測試編譯。

具體設計支持NAND閃存的啟動程序設計

因為U-BOOT的入口程序是/cpu/arm920t/start.S,故需在該程序中添加NAND閃存的復位程序，以及實現從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
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 @跳到復位C函數去執行，執行NAND閃存復位
.......
/*從NAND閃存中把U-BOOT拷貝到RAM*/
ldr r0, =UBOOT_RAM_BASE@ 設置第1個參數: UBOOT在RAM中的起始地址
mov r1, #0x0 @ 設置第2個參數:NAND閃存的起始地址
mov r2, #0x20000 @ 設置第3個參數: U-BOOT的長度(128KB)
bl nand_read_whole @ 調用nand_read_whole(),把NAND閃存中的數據讀入到RAM中
tst r0, #0x0 @ 如果函數的返回值為0,表示執行成功
beq ok_nand_read @ 執行內存比較，把RAM中的前4K內容與NAND閃存中的前4K內容進行比較, 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命令設計

在U-BOOT下對nand閃存的支持主要是在命令行下實現對nand閃存的操作。對nand閃存實現的命令為：nand info(打印nand Flash信息)、nand device(顯示某個nand閃存設備)、nand read(讀取nand閃存)、nand write(寫nand閃存)、nand erease(擦除nand閃存)、nand bad(顯示壞塊)等。

用到的主要數據結構有：struct nand_flash_dev、struct nand_chip。前者包括主要的芯片型號、存儲容量、設備ID、I/O總線寬度等信息；后者是具體對NAND閃存進行操作時用到的信息。

a. 設置配置選項

修改/include/configs/wch2410.h,主要是在CONFIG_COMMANDS中打開CFG_CMD_NAND選項。定義NAND閃存控制器在SFR區中的起始寄存器地址、頁面大小，定義NAND閃存命令層的底層接口函數等。

b. 加入NAND閃存芯片型號

在/include/linux/mtd/ nand_ids.h中對如下結構體賦值進行修改:
static struct nand_flash_dev nand_flash_ids[] = {
......
{"Samsung K9F1208U0A", NAND_MFR_SAMSUNG, 0x76, 26, 0, 3, 0x4000, 0},
.......
}
這樣對于該款NAND閃存芯片的操作才能正確執行。
c. 編寫NAND閃存初始化函數
在/board/wch2410/wch2410.c中加入nand_init()函數。
void nand_init(void)
{
/* 初始化NAND閃存控制器, 以及NAND閃存芯片 */
nand_reset();
/* 調用nand_probe()來檢測芯片類型 */
printf ("%4lu MBn", nand_probe(CFG_NAND_BASE) >> 20);
}

該函數在啟動時被start_armboot()調用。

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 #

結語

以往將U-BOOT移植到ARM9平臺中的解決方案主要針對的是ARM9中的NOR閃存，因為NOR閃存的結構特點致使應用程序可以直接在其內部運行，不用把代碼讀到RAM中，移植過程相對簡單。從NAND閃存中啟動U-BOOT的設計難點在于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。本文介紹了實現這一設計的思路及具體程序。移植后，U-BOOT在嵌入式系統中運行良好。

參考文獻
1 杜春雷. ARM體系結構與編程[M]. 北京:清華大學出版社，2003
2 S3C2410 User’s Mannual[Z].Samsung