nand flash启动分析

           2410支持从nand flash启动。通过将flash中最开始的4k代码拷贝到，2410片内的一块不用初始化的sram中运行，该拷贝过程完全由硬件支持，无需软件操作。 
　　Nand Flash控制器有一个特殊的功能,在S3C2410上电后,Nand Flash控制器会自动的把Nand Flash上的前4K数据搬移到4K内部RAM中,并把0x00000000设置内部RAM的起始地址,CPU从内部RAM的0x00000000位置开始启动。这个过程不需要程序干涉。程序员需要完成的工作,是把最核心的启动程序放在Nand Flash的前4K中。 
　　u-boot源码不支持从nand flash启动，可是s3c2410支持从nand flash启动，开发板(sbc-2410x)加电后s3c2410将nand flash的前4k(保存有u-boot的部分功能--拷贝功能--把nand flash中的内容拷贝到SDRAM)拷贝到sram(s3c2410芯片内的sram)，即nGCS0，映射地址为0x00000000。这就需要修改u-boot源码，增加u-boot的功能:使u-boot在得到执行权后能够将其自身拷贝到开发板上SDRAM中，以便处理器能够执行u-boot。Nand Flash的命令、地址、数据都通过I/O口发送，管脚复用，这样做做的好处是，可以明显减少NAND FLASH的管脚数目，将来如果设计者想将NAND FLASH更换为更高密度、更大容量的，也不必改动电路板。 
　　NAND FLASH不能够执行程序，本人总结其原因如下： 
　　1. 
　　NAND FLASH本身是连接到了控制器上而不是系统总线上。CPU启动后是要取指令执行的，如果是SROM、NOR FLASH 等之类的，CPU 
　 　发个地址就可以取得指令并执行，NAND FLASH不行，因为NAND FLASH是管脚复用，它有自己的一套时序，这样CPU无法取得可以执行的代码，也就不能初始化系统了。例如：str r0,[r1]，该命令包含了目的地址和源寄存器，按照cpu的时序将寄存器中的数据保存到内存中。如果想把数据存储到nand flash上，必须按照nand flash的读写时序进行，如先写NFCONF，然后NFCMD，NFADDR，最后读NFDATA。 
　　2. 
　　NAND FLASH是顺序存取设备，不能够被随机访问，读写访问以页为单位，程序就不能够分支或跳转，这样你如何去设计程序。 
　　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。 
　　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。 
　　参考文献 
　　1 杜春雷 . ARM 体系结构与编程 [M]. 北京 : 清华大学出版社， 2003 
　　2 S3C2410 User's Mannual[Z].Samsung 
　　vivi中的源码 
　　#ifdef CONFIG_S3C2410_NAND_BOOT 
　　@ 
　　@ copy_myself: copy vivi to ram 
　　@ 
　　copy_myself: 
　　mov r10, lr 
　　@ reset NAND 
　　mov r1, #NAND_CTL_BASE 
　　ldr r2, =0xf830 @ initial value 
　　str r2, [r1, #oNFCONF] 
　　ldr r2, [r1, #oNFCONF] 
　　bic r2, r2, #0x800 @ enable chip 
　　str r2, [r1, #oNFCONF] 
　　mov r2, #0xff @ RESET command 
　　strb r2, [r1, #oNFCMD] 
　　mov r3, #0 @ wait 
　　1: add r3, r3, #0x1 
　　cmp r3, #0xa 
　　blt 1b 
　　2: ldr r2, [r1, #oNFSTAT] @ wait ready 
　　tst r2, #0x1 
　　beq 2b 
　　ldr r2, [r1, #oNFCONF] 
　　orr r2, r2, #0x800 @ disable chip 
　　str r2, [r1, #oNFCONF] 
　　@ get read to call C functions (for nand_read()) 
　　ldr sp, DW_STACK_START @ setup stack pointer 
　　mov fp, #0 @ no previous frame, so fp=0 
　　@ copy vivi to RAM 
　　ldr r0, =VIVI_RAM_BASE 
　　mov r1, #0x0 
　　mov r2, #0x20000 
　　bl nand_read_ll 
　　tst r0, #0x0 
　　beq ok_nand_read