引言

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 MB\n”， 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。

責任編輯：gt