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从NAND闪存中启动U-BOOT的设计

来自:电子设计应用    作者:刘晔 汪灿华等 1  2    下载pdf版
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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。

NAND 闪存工作原理

S3C2410 开发板的 NAND 闪存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;

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。

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