基于ARM的Nand Flash啟動(dòng)分析與移植

蔡利平，任家富，童 銳，張敬倫

（成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都610059）

0 引 言

嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)在當(dāng)今日新月異的科技時(shí)代獨(dú)樹(shù)一幟，生活中大量的智能電子設(shè)備就是嵌入式應(yīng)用的一個(gè)縮影，比如PDA、機(jī)頂盒和智能手機(jī)等。然而，在嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)中，嵌入式引導(dǎo)程序 （Bootloader）的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與嵌入式系統(tǒng)的硬件息息相關(guān)，這個(gè)特性決定了不可能用一個(gè)通用程序作為眾多嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)程序。在這樣的背景下，針對(duì)不同的開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)不同的嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)程序成為首要問(wèn)題，本文根據(jù)實(shí)際的情況，詳細(xì)的分析了嵌入式引導(dǎo)程序的引導(dǎo)、啟動(dòng)原理，同時(shí)結(jié)合S3C2410開(kāi)發(fā)板和 U－Boot－1.1.6引導(dǎo)程序，分析從 Nand Flash啟動(dòng)的具體流程，修改并完成了 U－Boot從Nand Flash啟動(dòng)的移植。

1 Bootloader介紹

嵌入式軟件從應(yīng)用角度可以劃分為4個(gè)層次：引導(dǎo)程序 （Bootloader）、內(nèi)核、文件系統(tǒng)以及嵌入式應(yīng)用軟件（如GUI）。Bootloader是嵌入式系統(tǒng)中第一個(gè)被運(yùn)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(zhǔn)備相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù) （機(jī)器類型ID和啟動(dòng)參數(shù)標(biāo)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(quán)移交給內(nèi)核?，F(xiàn)在支持ARM體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和種類上有所不同，本文主要是針對(duì)U－Boot進(jìn)行分析與移植。U－Boot是德國(guó)DENX研究中心開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，其對(duì)現(xiàn)在市場(chǎng)上主流的操作系統(tǒng)、CPU都能提供良好的支持，功能相當(dāng)?shù)膹?qiáng)大。U－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(duì)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(duì)的劃分為下面的3個(gè)層次。如圖1所示。

之所以這樣分層，是因?yàn)椋荷蠈影模痗pu和／board文件決定了系統(tǒng)所使用的ARM芯片類型以及與開(kāi)發(fā)板相同或者相近的板級(jí)體系結(jié)構(gòu)，如S3C2410開(kāi)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(kù)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(guò)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(shí)現(xiàn)的功能，起一個(gè)承上啟下的作用；底層主要包含了相關(guān)的驅(qū)動(dòng)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(dǎo)系統(tǒng)存儲(chǔ)的位置，引導(dǎo)系統(tǒng)啟動(dòng)主要分為有兩種方式：Nor Flash引導(dǎo)和Nand Flash引導(dǎo)。這兩種引導(dǎo)方式不管是從硬件連接還是從軟件設(shè)計(jì)都有本質(zhì)的不同，現(xiàn)在主流的引導(dǎo)程序基本上都支持從Nor Flash的啟動(dòng)引導(dǎo)，軟件技術(shù)的實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較成熟；但是對(duì)Nand Flash的啟動(dòng)支持還不是很完善，要能夠從Nand Flash啟動(dòng)，需要引導(dǎo)程序和開(kāi)發(fā)板都支持從Nand Flash啟動(dòng)。本文使用的U－Boot－1.1.6并不支持從Nand Flash啟動(dòng)的，而開(kāi)發(fā)板S3C2410的硬件特性支持從Nand Flash啟動(dòng)。本文將通過(guò)分析U－Boot的啟動(dòng)流程，最終實(shí)現(xiàn)U－Boot從Nand Flash的啟動(dòng)與移植。

2 U－Boot Nand Flash啟動(dòng)分析與移植

2.1 Nand flash與Nor flash的U－Boot引導(dǎo)分析

Bootloader的啟動(dòng)一般可以分為兩個(gè)階段。第一階段主要是對(duì)部分硬件 （關(guān)閉看門狗、關(guān)中斷、設(shè)置時(shí)鐘和初始化存儲(chǔ)設(shè)備等）的初始化、拷貝引導(dǎo)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(zhǔn)備硬件環(huán)境 （清除BSS段、設(shè)置堆棧等），用匯編代碼實(shí)現(xiàn)。第二階段繼續(xù)完成對(duì)外圍硬件設(shè)備的檢測(cè)與初始化，為內(nèi)核引導(dǎo)提供硬件環(huán)境和引導(dǎo)參數(shù)。U－Boot在第二階段對(duì)Nor Flash和對(duì)Nand Flash的支持是相同的，因此，支持Nand Flash啟動(dòng)的代碼修改主要集中在U－Boot啟動(dòng)的第一階段。為了得出U－Boot從Nor Flash引導(dǎo)與從Nand Flash引導(dǎo)的不同之處，這里結(jié)合韓國(guó)Mize公司的Vivi bootloader，Vivi最初主要是針對(duì)S3C2410X處理器的，支持從Nand Flash啟動(dòng)的引導(dǎo)，通過(guò)分析，第一階段的引導(dǎo)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(dǎo)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(dòng)的引導(dǎo)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(xiàng)即可完成引導(dǎo)工作。通過(guò)上面的分析，為了實(shí)現(xiàn)Nand Flash引導(dǎo)啟動(dòng)需要修改U－Boot代碼完成以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

（1）保證U－Boot的前4k代碼不僅能夠初始化相關(guān)的硬件，還要能夠?qū)⒋鎯?chǔ)在Nand 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(wù)；

（2）在配置文件／include／configs／xxx.h中添加相關(guān)的宏，確定啟動(dòng)是從Nand Flash中進(jìn)行，以及確定U－Boot代碼在SDRAM中的起始位置、設(shè)置堆棧大?。?/p>

（3）最后需要實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)Nand Flash進(jìn)行相關(guān)的操作。

圖3 Nor Flash引導(dǎo)和Nand Flash引導(dǎo)的比較

2.2 Nand flash引導(dǎo)啟動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)引導(dǎo)啟動(dòng)方式 （Nor Flash or Nand Flash引導(dǎo)）是由引腳OM ［1：0］來(lái)確定的，如果OM ［1：0］為0x0，則是從Nand Flash引導(dǎo)；如果OM ［1：0］的值為0x1，0x2則是從Nor Flash引導(dǎo)，這可以通過(guò)跳線來(lái)設(shè)置，有的開(kāi)發(fā)板直接使用Nand Flash硬件連接。系統(tǒng)如果從Nand Flash啟動(dòng)，由于Nand Flash接口的特殊性，系統(tǒng)上電后會(huì)自動(dòng)將Nand Flash前4k的代碼復(fù)制到S3C2410內(nèi)部集成的SRAM中，然后跳到這個(gè)SRAM緩沖區(qū)中0x0開(kāi)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(duì)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(zhǎng)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(gè)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＿M(jìn)ASK）‖ （size＆NAND＿BLOCK＿M(jìn)ASK））｛

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(guò)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(dòng)的第一個(gè)問(wèn)題。

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

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

＃define STACK＿BASE 0x33f00000／／定義堆棧在SDRAM中的位置以及長(zhǎng)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(gè)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(guò)上述兩步的修改，U－Boot已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從Nand Flash的啟動(dòng)，但是在控制終端并不能通過(guò)U－Boot的命令來(lái)對(duì)Nand Flash進(jìn)行讀寫操作。

U－Boot對(duì)Nand Flash的讀寫操作命令并沒(méi)有給予完整的支持。要先在配置文件中打開(kāi)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(hào)，使的CFG＿CMD＿NAND可用

／

＊CFG＿CMD＿EEPROM｜＊／＼

／＊CFG＿CMD＿I2C ｜＊／＼

……）

同時(shí)，由于U－Boot默認(rèn)的代碼不能識(shí)別本文開(kāi)發(fā)板上的Nand Flash K9F1208U0A芯片型號(hào)，還需要在文件／include／linux／mtd／nand＿ids.h中的結(jié)構(gòu)體添加如下代碼，以識(shí)別芯片型號(hào)：

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

……

｛"Samsung K9F1208U0A"，NAND ＿M(jìn)FR ＿SAMSUNG，0x76，26，0，3，0x4000，0｝，｝

對(duì) 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(guò)舊代碼部分獲得對(duì)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(shí)現(xiàn)函數(shù)board＿nand＿init（）的定義，實(shí)現(xiàn)對(duì)Nand Flash的底層操作，這個(gè)函數(shù)在文件／driver／nand／nand.c中只進(jìn)行了聲明：

……

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

……

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

圖4 board＿nand＿init函數(shù)的調(diào)用過(guò)程

對(duì)Nand Flash底層函數(shù)的管理都是通過(guò)結(jié)構(gòu)體struct nand＿chip實(shí)現(xiàn)的，在board＿nand＿init函數(shù)中就是要實(shí)現(xiàn)這個(gè)結(jié)構(gòu)體中各個(gè)底層函數(shù)，但是并不用實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體的每一個(gè)成員變量，這里必須要實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)體成員有：

讀寫信號(hào)nand－＞IO＿ADDR＿R＝ （void＊）＆s3c2410＿mynand－＞NFDATA，nand－＞IO＿ADDR＿W＝ （void＊）＆s3c2410＿mynand－＞NFDATA；控制信號(hào)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(hào)函數(shù) nand－＞select＿chip＝s3c2410＿nand＿select＿chip以及位寬options的設(shè)置。到這里就完成了U－Boot從Nand Flash啟動(dòng)的代碼修改，也實(shí)現(xiàn)了在終端對(duì)Nand Flash命令的支持。

2.3 驗(yàn)證支持Nand Flash啟動(dòng)的U－Boot及還需要注意的問(wèn)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(biāo)文件uboot.bin，將其通過(guò)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(gè)問(wèn)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(kāi)發(fā)板上沒(méi)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(guān)于imls命令的程序段和／common／cmd＿flash.c中的程序段。

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合硬、軟件開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，分析、設(shè)計(jì)其啟動(dòng)流程是開(kāi)發(fā)過(guò)程中第一個(gè)需要解決的問(wèn)題。U－Boot引導(dǎo)程序以清晰明了的流程，詳細(xì)的描述了怎么實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)的具體過(guò)程。本文同時(shí)結(jié)合了Vivi的啟動(dòng)流程分析，實(shí)現(xiàn)了支持Nand Flash啟動(dòng)引導(dǎo)的U－Boot，詳細(xì)的介紹怎么實(shí)現(xiàn)這個(gè)程序的修改過(guò)程。通過(guò)對(duì)U－Boot啟動(dòng)的分析能夠深刻的理解到軟件是怎么實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的操作，綜合的應(yīng)用了所學(xué)的知識(shí)，為開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)獲得直接經(jīng)驗(yàn)。

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