NAND闪存中启动U-BOOT的设计解析

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.
　　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\n”， 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。