基于ARM的Nand Flash啟動分析與移植

蔡利平，任家富，童 銳，張敬倫

（成都理工大學 信息科學與技術學院，四川 成都610059）

0 引 言

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)在當今日新月異的科技時代獨樹一幟，生活中大量的智能電子設備就是嵌入式應用的一個縮影，比如PDA、機頂盒和智能手機等。然而，在嵌入式軟件的開發(fā)中，嵌入式引導程序 （Bootloader）的設計、開發(fā)與嵌入式系統(tǒng)的硬件息息相關，這個特性決定了不可能用一個通用程序作為眾多嵌入式系統(tǒng)的引導程序。在這樣的背景下，針對不同的開發(fā)環(huán)境設計不同的嵌入式系統(tǒng)引導程序成為首要問題，本文根據(jù)實際的情況，詳細的分析了嵌入式引導程序的引導、啟動原理，同時結合S3C2410開發(fā)板和 U－Boot－1.1.6引導程序，分析從 Nand Flash啟動的具體流程，修改并完成了 U－Boot從Nand Flash啟動的移植。

1 Bootloader介紹

嵌入式軟件從應用角度可以劃分為4個層次：引導程序 （Bootloader）、內(nèi)核、文件系統(tǒng)以及嵌入式應用軟件（如GUI）。Bootloader是嵌入式系統(tǒng)中第一個被運行的程序，其功能是初始化部分硬件、為隨后加載的系統(tǒng)內(nèi)核準備相關的系統(tǒng)參數(shù) （機器類型ID和啟動參數(shù)標記列表在RAM中的地址）、加載內(nèi)核到內(nèi)存并將系統(tǒng)的控制權移交給內(nèi)核。現(xiàn)在支持ARM體系結構的bootloader很多，比如Vivi、RedBoot、BLOB以及U－Boot等。不同的Bootloader在支持的體系結構和種類上有所不同，本文主要是針對U－Boot進行分析與移植。U－Boot是德國DENX研究中心開發(fā)設計的，其對現(xiàn)在市場上主流的操作系統(tǒng)、CPU都能提供良好的支持，功能相當?shù)膹姶蟆－Boot的文件組織方式與Linux內(nèi)核相同，將功能或者特性相同的源文件放在一起，方便對源文件的管理與閱讀。根據(jù)文件的不同作用，本人將U－Boot中所有的源文件相對的劃分為下面的3個層次。如圖1所示。

之所以這樣分層，是因為：上層包含的／cpu和／board文件決定了系統(tǒng)所使用的ARM芯片類型以及與開發(fā)板相同或者相近的板級體系結構，如S3C2410開發(fā)板，相近的文件就 是／cpu／arm920t和／board／smdk2410，而／lib＿xxx文件主要包含的是庫文件，屬于必不可少的部分；中間層文件include／configs／xxx.h中定義了眾多的宏，其中定義的配置宏和參數(shù)宏在代碼的編譯過程中將決定哪些代碼段將被包含，哪些代碼段將不被包含，控制Bootloader所實現(xiàn)的功能，起一個承上啟下的作用；底層主要包含了相關的驅(qū)動程序以及一些通用函數(shù)和接口函數(shù)。

在嵌入式系統(tǒng)中，根據(jù)引導系統(tǒng)存儲的位置，引導系統(tǒng)啟動主要分為有兩種方式：Nor Flash引導和Nand Flash引導。這兩種引導方式不管是從硬件連接還是從軟件設計都有本質(zhì)的不同，現(xiàn)在主流的引導程序基本上都支持從Nor Flash的啟動引導，軟件技術的實現(xiàn)相對比較成熟；但是對Nand Flash的啟動支持還不是很完善，要能夠從Nand Flash啟動，需要引導程序和開發(fā)板都支持從Nand Flash啟動。本文使用的U－Boot－1.1.6并不支持從Nand Flash啟動的，而開發(fā)板S3C2410的硬件特性支持從Nand Flash啟動。本文將通過分析U－Boot的啟動流程，最終實現(xiàn)U－Boot從Nand Flash的啟動與移植。

2 U－Boot Nand Flash啟動分析與移植

2.1 Nand flash與Nor flash的U－Boot引導分析

Bootloader的啟動一般可以分為兩個階段。第一階段主要是對部分硬件 （關閉看門狗、關中斷、設置時鐘和初始化存儲設備等）的初始化、拷貝引導程序U－Boot自己全部的代碼到SDRAM中以及為第二階段的執(zhí)行準備硬件環(huán)境 （清除BSS段、設置堆棧等），用匯編代碼實現(xiàn)。第二階段繼續(xù)完成對外圍硬件設備的檢測與初始化，為內(nèi)核引導提供硬件環(huán)境和引導參數(shù)。U－Boot在第二階段對Nor Flash和對Nand Flash的支持是相同的，因此，支持Nand Flash啟動的代碼修改主要集中在U－Boot啟動的第一階段。為了得出U－Boot從Nor Flash引導與從Nand Flash引導的不同之處，這里結合韓國Mize公司的Vivi bootloader，Vivi最初主要是針對S3C2410X處理器的，支持從Nand Flash啟動的引導，通過分析，第一階段的引導流程如圖2所示。

圖2中方向①、②指明了Nand Flash與Nor Flash在引導程序第一階段的不同之處，在程序中體現(xiàn)在／cpu／arm920t／start.S源文件的重定位代碼段，源文件start.S也是U－Boot程序的入口文件，具體比較如圖3所示。

U－Boot從Nor Flash啟動的引導系統(tǒng)，只需要根據(jù)具體硬件的配置，更改少量的配置選項即可完成引導工作。通過上面的分析，為了實現(xiàn)Nand Flash引導啟動需要修改U－Boot代碼完成以下幾個方面的問題：

（1）保證U－Boot的前4k代碼不僅能夠初始化相關的硬件，還要能夠?qū)⒋鎯υ贜and Flash中的所有U－Boot代碼拷貝到SDRAM中，這也是第一階段的主要任務；

（2）在配置文件／include／configs／xxx.h中添加相關的宏，確定啟動是從Nand Flash中進行，以及確定U－Boot代碼在SDRAM中的起始位置、設置堆棧大小；

（3）最后需要實現(xiàn)對Nand Flash讀寫操作的命令支持，能夠使U－Boot在控制終端使用Nand Flash命令對Nand Flash進行相關的操作。

圖3 Nor Flash引導和Nand Flash引導的比較

2.2 Nand flash引導啟動的實現(xiàn)

系統(tǒng)引導啟動方式 （Nor Flash or Nand Flash引導）是由引腳OM ［1：0］來確定的，如果OM ［1：0］為0x0，則是從Nand Flash引導；如果OM ［1：0］的值為0x1，0x2則是從Nor Flash引導，這可以通過跳線來設置，有的開發(fā)板直接使用Nand Flash硬件連接。系統(tǒng)如果從Nand Flash啟動，由于Nand Flash接口的特殊性，系統(tǒng)上電后會自動將Nand Flash前4k的代碼復制到S3C2410內(nèi)部集成的SRAM中，然后跳到這個SRAM緩沖區(qū)中0x0開始執(zhí)行，這部分代碼需要完成硬件的初始化并將U－Boot代碼拷貝到SDRAM中后，然后跳轉(zhuǎn)到SDRAM中執(zhí)行。這里首先修改 源文件 uboot／board／s3c2410／start.S，在其中添加對Nand Flash的初始化代碼，然后完成 U－Boot的拷貝：

coyp＿myself＿uboot：

（Nand Flash的初始化代碼）

……

ldr r0，＝UBOOT＿RAM＿BASE

／／這是將U－Boot代碼拷貝到SDRAM中的起始地址

mov r1，＃0x0

／／這是U－Boot在Nand Flash中的起始地址，即0x0

mov r2，＃0x20000

／／這是U－Boot代碼的長度

bl nandTOsdram

／／完成U－Boot到SDRAM拷貝的C函數(shù)

……

跳轉(zhuǎn)到源文件nand＿copy.c中的拷貝函數(shù)nandTOsdram中。這里的寄存器r0，r1，r2依次作為nandTOsdram的第一、第二和第三個參數(shù)。在／board／s3c2410／下添加文件nand＿copy.c，主要代碼如下：

……

int nandTOsdram （unsigned char＊buf，unsigned long start＿addr，int size）｛

int i，j；

if（（start＿addr ＆ NAND＿BLOCK＿MASK）‖ （size＆NAND＿BLOCK＿MASK））｛

return－1； ／＊invalid alignment＊／

｝

／＊chip Enable＊／

NFCONF ＆＝ ～0x800；

for（i＝0；i＜10；i＋＋）；

for（i＝start＿addr；i＜ （start＿addr＋size）；）｛

／＊READ0＊／

NFCMD＝0；

／＊ Write Address＊／

NFADDR ＝i ＆0xff；

NFADDR＝ （i＞＞9）＆0xff；

NFADDR＝ （i＞＞17）＆0xff；

NFADDR＝ （i＞＞25）＆0xff；

wait＿idle （）；

for（j＝0；j＜ NAND＿SECTOR＿SIZE；j＋＋，i＋＋）｛

＊buf＝ （NFDATA ＆0xff）；

buf＋＋；

｝

｝

／＊chip Disable＊／

NFCONF｜＝0x800； ／＊chip disable＊／

return 0；

｝

通過在／cpu／arm920t／start.s中添加的Nand Flash初始化代碼以及C源文件nand＿copy.c解決了U－Boot從Nand Flash啟動的第一個問題。

配置文件／include／configs／xxx.h控制整個開發(fā)板的編譯選項，主要包括兩類：以CONFIG＿開頭的文件用于選擇CPU、SOC、開發(fā)板類型等，作為系統(tǒng)框架設計的一個選項；還有一類是以CFG＿開頭的宏，作為系統(tǒng)的參數(shù)出現(xiàn)，如設置緩沖池的大小、提示符等。為了獲得U－Boot Nand Flash啟動的支持，需要在配置文件中添加以下幾個宏：

＃define CONFIG＿S3C2410＿NAND＿BOOT 1／／控制編譯從Nand Flash啟動的代碼

＃define STACK＿BASE 0x33f00000／／定義堆棧在SDRAM中的位置以及長度

＃define STACK＿SIZE 0x8000

＃define UBOOT＿RAM＿BASE 0x33f80000／／U－Boot代碼在SDRAM中的起始位置

＃define NAND＿CTL＿BASE 0x4e000000／／Nand Flash各個控制器的地址的定義

＃define bINT＿CTL （Nb） ＿＿REG （INT＿CTL＿BASE＋ （Nb））

／

＊offset＊／

＃define oNFCONF 0x00

＃define oNFCMD 0x04

＃define oNFADDR 0x08

＃define oNFDATA 0x0c

＃define oNFSTAT 0x10

＃define oNFECC 0x14

經(jīng)過上述兩步的修改，U－Boot已經(jīng)實現(xiàn)了從Nand Flash的啟動，但是在控制終端并不能通過U－Boot的命令來對Nand Flash進行讀寫操作。

U－Boot對Nand Flash的讀寫操作命令并沒有給予完整的支持。要先在配置文件中打開Nand Flash命令的控制宏：

＃define CONFIG＿COMMANDS＼

（CONFIG＿CMD＿DFL ｜ ＼

CFG＿CMD＿CACHE ｜ ＼

CFG＿CMD＿NAND ｜ 去掉之前的注釋符號，使的CFG＿CMD＿NAND可用

／

＊CFG＿CMD＿EEPROM｜＊／＼

／＊CFG＿CMD＿I2C ｜＊／＼

……）

同時，由于U－Boot默認的代碼不能識別本文開發(fā)板上的Nand Flash K9F1208U0A芯片型號，還需要在文件／include／linux／mtd／nand＿ids.h中的結構體添加如下代碼，以識別芯片型號：

static struct nand＿flash＿dev nand＿flash＿ids［］＝ ｛

……

｛"Samsung K9F1208U0A"，NAND ＿MFR ＿SAMSUNG，0x76，26，0，3，0x4000，0｝，｝

對 Nand Flash的讀寫操作在 U－Boot－1.1.6中有新舊兩套代碼，／driver／nand是新代碼文件，／driver／nand＿legacy是舊代碼文件，如果在配置文件中定義了宏CFG＿NAND＿LEGACY，則通過舊代碼部分獲得對Nand Flash的支持，否則使用新代碼支持Nand Flash的底層操作，本文使用的是新代碼部分。在代碼中還需要實現(xiàn)函數(shù)board＿nand＿init（）的定義，實現(xiàn)對Nand Flash的底層操作，這個函數(shù)在文件／driver／nand／nand.c中只進行了聲明：

……

extern void board＿nand＿init （struct nand＿chip ＊nand）；

……

沒有定義的具體代碼，添加源文件nflash.c并在此源文件中實現(xiàn)board＿nand＿init函數(shù)，函數(shù)的調(diào)用過程如圖4所示。

圖4 board＿nand＿init函數(shù)的調(diào)用過程

對Nand Flash底層函數(shù)的管理都是通過結構體struct nand＿chip實現(xiàn)的，在board＿nand＿init函數(shù)中就是要實現(xiàn)這個結構體中各個底層函數(shù)，但是并不用實現(xiàn)結構體的每一個成員變量，這里必須要實現(xiàn)的結構體成員有：

讀寫信號nand－＞IO＿ADDR＿R＝ （void＊）＆s3c2410＿mynand－＞NFDATA，nand－＞IO＿ADDR＿W＝ （void＊）＆s3c2410＿mynand－＞NFDATA；控制信號函數(shù)nand－＞hwcontrol＝s3c2410＿nand＿control＿signal；芯片狀態(tài)函數(shù)nand－＞dev＿ready＝s3c2410＿nand＿if＿busy；片選信號函數(shù) nand－＞select＿chip＝s3c2410＿nand＿select＿chip以及位寬options的設置。到這里就完成了U－Boot從Nand Flash啟動的代碼修改，也實現(xiàn)了在終端對Nand Flash命令的支持。

2.3 驗證支持Nand Flash啟動的U－Boot及還需要注意的問題

在U－Boot的頂層目錄執(zhí)行命令：

make distclean

make s3c2410＿config

make CROSS＿COMPILE＝arm－linux－

生成目標文件uboot.bin，將其通過并口燒寫到Nand Flash中，然后重啟，控制終端顯示如下：

U－Boot 1.1.6（Nov 20 2010－15：32：38）

U－Boot code：33F80000－＞33F9A768BSS：－＞33F9EF18

DRAM： 64 MB

NAND： 64 MB

In： serial

Out： serial

Err： serial

CAI＿s3c2410＃

到這里就成功的完成了U－Boot的修改與移植。這里還有幾個問題需要注意：為了能夠在控制終端顯示U－Boot在SDRAM中段的分布，需要將文件／lib＿arm／board.c中的debug（"U－Boot code：%08lX－＞ %08lX BSS：－＞ %08lX＼n"，＿armboot＿start，＿bss＿start，＿bss＿end）換成printf（"U－Boot code：%08lX－＞ %08lX BSS：－＞ %08lX＼n"，＿armboot＿start，＿bss＿start，＿bss＿end）；本開發(fā)板上沒有nor flash，因此要在配置文件中注釋掉flash的定義，并且注釋掉／common／cmd＿bootm.c中關于imls命令的程序段和／common／cmd＿flash.c中的程序段。

3 結束語

結合硬、軟件開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，分析、設計其啟動流程是開發(fā)過程中第一個需要解決的問題。U－Boot引導程序以清晰明了的流程，詳細的描述了怎么實現(xiàn)引導的具體過程。本文同時結合了Vivi的啟動流程分析，實現(xiàn)了支持Nand Flash啟動引導的U－Boot，詳細的介紹怎么實現(xiàn)這個程序的修改過程。通過對U－Boot啟動的分析能夠深刻的理解到軟件是怎么實現(xiàn)對硬件的操作，綜合的應用了所學的知識，為開發(fā)嵌入式系統(tǒng)獲得直接經(jīng)驗。

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