NAND Flash啟動的問題(u-boot)

joey.xiang

用的是S3C2410.見附件start.s 其中關于nand flash啟動的那一段一直百思不得其解,按說從NAND FLASH啟動時,應該是前4KB映射到NGCS0,其中的代碼將NAND中存放的程序拷貝到RAM中,但該文件提供的程序好象是先從NAND拷貝 128K的代碼到ResetEntry開始的地方,即地址為0的地方,然后再從ResetEntry處拷到RAM中,但此時NGCS0好象只有4KB的 RAM區(qū),怎么能存儲128K的代碼,一直沒想通.望高手指點,謝謝!
搞明白了,是兩條指令的差別
LDR r0,=_entry和ADR r0,_entry
前者是在編譯的時候按照load address生成的絕對地址,后者反匯編后是相對當前PC尋址,例如在ADS中設置RO地址為0X30000000,那么前者傳給r0的值是 0x30000000,而后者傳給r0的值要視當前PC而定,一般從NGCS0中啟動時,傳給r0的值就是0。
amsung S3C2410支持Nor Flash和Nand Flash啟動,在SBC-2410X上可以通過BOOTSEL跳線設置啟動方式:
    |------|
    | 。。 |      boot from nand flash
    |------|
------。。        boot from nor flash
注:
(1) BOOTSEL跳線在"串口"和"usb slave接口"之間
(2) 兩個引腳用"跳線卡"連接，則表示從nand flash啟動。拔下"跳線卡"表示從nor flash啟動。
椐了解 NOR FLASH 是容量小，速度快，穩(wěn)定性好，適合做程序存儲器。
NAND FLASH 總容量大，適合做數(shù)據存儲器
是不能從NAND FLASH啟動的，NAND FLASH是的讀寫時序是不能直接有ARM硬件產生的，要讀寫NAND FLASH是要通過程序來實現(xiàn)的，很明顯能看出來的就是NAND FLASH只有8個數(shù)據、地址復用的數(shù)據地址接口
2410/2440可以直接從NAND FLASH啟動的，因為它把NAND前面的4K映射到了RAM的空間
首先應該先了解Flash ROM的種類
NOR FLASH地址線和數(shù)據線分開，來了地址和控制信號，數(shù)據就出來。
NAND Flash地址線和數(shù)據線在一起，需要用程序來控制，才能出數(shù)據。
通俗的說，就是光給地址不行，要先命令，再給地址，才能讀到NAND的數(shù)據。
而且都是在一個總線完成的。
結論是：ARM無法從NAND直接啟動。除非裝載完程序，才能使用NAND Flash.
裝載程序只能從mask rom 或者Nor flash.
NAND和NOR flash技術 設計師在使用閃存時需要慎重選擇
——
M-Systems
公司 Arie TAL
NOR和NAND是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術。Intel于1988年首先開發(fā)出NOR flash技術，徹底改變了原先由EPROM和
EEPROM
一統(tǒng)天下的局面。緊接著，1989年，東芝公司發(fā)表了NAND flash結構，強調降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盤一樣可以通過接口輕松升級。但是經過了十多年之后，仍然有相當多的硬件工程師分不清NOR 和NAND閃存。相“flash存儲器”經常可以與相“NOR存儲器”互換使用。許多業(yè)內人士也搞不清楚NAND閃存技術相對于NOR技術的優(yōu)越之處，因為大多數(shù)情況下閃存只是用來存儲少量的代碼，這時NOR閃存更適合一些。而NAND則是高數(shù)據存儲密度的理想解決方案。 NOR的特點是芯片內執(zhí)行(XIP, eXecute In Place)，這樣應用程序可以直接在flash閃存內運行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR的傳輸效率很高，在1～4MB的小容量時具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。 NAND結構能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快。應用NAND的困難在于flash的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口。性能比較 flash閃存是非易失存儲器，可以對稱為塊的存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內進行，所以大多數(shù)情況下，在進行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除。NAND器件執(zhí)行擦除操作是十分簡單的，而NOR則要求在進行擦除前先要將目標塊內所有的位都寫為0。由于擦除NOR器件時是以64～128KB的塊進行的，執(zhí)行一個寫入/擦除操作的時間為5s，與此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的塊進行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。執(zhí)行擦除時塊尺寸的不同進一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距，統(tǒng)計表明，對于給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時)，更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進行。這樣，當選擇存儲解決方案時，設計師必須權衡以下的各項因素。
● NOR的讀速度比NAND稍快一些。
● NAND的寫入速度比NOR快很多。
● NAND的4ms擦除速度遠比NOR的5s快。
● 大多數(shù)寫入操作需要先進行擦除操作。
● NAND的擦除單元更小，相應的擦除電路更少。
接口差別 NOR flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內部的每一個字節(jié)。
NAND 器件使用復雜的I/O口來串行地存取數(shù)據，各個產品或廠商的方法可能各不相同。8個引腳用來傳送控制、地址和數(shù)據信息。 NAND讀和寫操作采用512字節(jié)的塊，這一點有點像硬盤管理此類操作，很自然地，基于NAND的存儲器就可以取代硬盤或其他塊設備。 容量和成本 NAND flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半，由于生產過程更為簡單，NAND結構可以在給定的模具尺寸內提供更高的容量，也就相應地降低了價格。 NOR flash占據了容量為1～16MB閃存市場的大部分，而NAND flash只是用在8～128MB的產品當中，這也說明NOR主要應用在代碼存儲介質中，NAND適合于數(shù)據存儲，NAND在CompactFlash、 Secure
Digital
、PC Cards和MMC存儲卡市場上所占份額最大。 可靠性和耐用性采用flahs介質時一個需要重點考慮的問題是可靠性。對于需要擴展MTBF的系統(tǒng)來說，F(xiàn)lash是非常合適的存儲方案。可以從壽命(耐用性)、位交換和壞塊處理三個方面來比較NOR和NAND的可靠性。 壽命(耐用性) 在NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬次，而NOR的擦寫次數(shù)是十萬次。NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優(yōu)勢，典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個NAND存儲器塊在給定的時間內的刪除次數(shù)要少一些。 位交換所有flash器件都受位交換現(xiàn)象的困擾。在某些情況下(很少見，NAND發(fā)生的次數(shù)要比NOR多)，一個比特位會發(fā)生反轉或被報告反轉了。一位的變化可能不很明顯，但是如果發(fā)生在一個關鍵文件上，這個小小的故障可能導致系統(tǒng)停機。如果只是報告有問題，多讀幾次就可能解決了。當然，如果這個位真的改變了，就必須采用錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法。位反轉的問題更多見于NAND閃存，NAND的供應商建議使用 NAND閃存的時候，同時使用EDC/ECC算法。這個問題對于用NAND存儲多媒體信息時倒不是致命的。當然，如果用本地存儲設備來存儲操作系統(tǒng)、配置文件或其他敏感信息時，必須使用EDC/ECC系統(tǒng)以確�？煽啃�。 壞塊處理 NAND器件中的壞塊是隨機分布的。以前也曾有過消除壞塊的努力，但發(fā)現(xiàn)成品率太低，代價太高，根本不劃算。 NAND器件需要對介質進行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標記為不可用。在已制成的器件中，如果通過可靠的方法不能進行這項處理，將導致高故障率。易于使用 可以非常直接地使用基于NOR的閃存，可以像其他存儲器那樣連接，并可以在上面直接運行代碼。由于需要I/O接口，NAND要復雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠家而異。
在使用NAND器件時，必須先寫入驅動程序，才能繼續(xù)執(zhí)行其他操作。向NAND器件寫入信息需要相當?shù)募记�，因為設計師絕不能向壞塊寫入，這就意味著在 NAND器件上自始至終都必須進行虛擬映射。 軟件支持當討論軟件支持的時候，應該區(qū)別基本的讀/寫/擦操作和高一級的用于磁盤仿真和閃存管理算法的軟件，包括性能優(yōu)化。在NOR器件上運行代碼不需要任何的軟件支持，在NAND器件上進行同樣操作時，通常需要驅動程序，也就是內存技術驅動程序(MTD)，NAND和NOR 器件在進行寫入和擦除操作時都需要MTD。使用NOR器件時所需要的MTD要相對少一些，許多廠商都提供用于NOR器件的更高級軟件，這其中包括M-System的TrueFFS驅動，該驅動被 Wind River System、Microsoft、QNX
Software
System、Symbian和Intel等廠商所采用。 驅動還用于對DiskOnChip產品進行仿真和NAND閃存的管理，包括糾錯、壞塊處理和損耗平衡。
三星的2410可以從NF啟動程序,它會把第一塊的前4KB復制到內部SRAM中然后從SRAM執(zhí)行,也就是說,你需要編寫一個長度小于4K的引導程序,作用是將主程序拷貝到SDRAM中運行(NF地址不是線性的,程序不能直接運行,必須拷貝到線性RAM中)
從Nand Flash啟動U-BOOT的基本原理
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前4K的問題
    如果S3C2410被配置成從Nand Flash啟動(
配置由硬件工程師在電路板設置
), S3C2410的Nand Flash控制器有一個特殊的功能,在S3C2410上電后,Nand Flash控制器會自動的把Nand Flash上的前4K數(shù)據搬移到4K內部RAM中,并把0x00000000設置內部RAM的起始地址,CPU從內部RAM的0x00000000位置開始啟動。這個過程不需要程序干涉。
    程序員需要完成的工作,是把最核心的啟動程序放在Nand Flash的前4K中。
啟動程序的安排
    由于Nand Flash控制器從Nand Flash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,我們必須完成S3C2410的核心配置以及把啟動代碼(U-BOOT)剩余部分搬到RAM中運行。
    u-boot源碼不支持從nand flash啟動，可是s3c2410支持從nand flash啟動，開發(fā)板(sbc-2410x)加電后s3c2410將nand flash的前4k(保存有u-boot的部分功能--拷貝功能--把nand flash中的內容拷貝到SDRAM)拷貝到sram(s3c2410芯片內的sram)。這就需要修改u-boot源碼，增加u-boot的功能: 使u-boot在得到執(zhí)行權后能夠將其自身拷貝到開發(fā)板上SDRAM中，以便處理器能夠執(zhí)行u-boot
.Nand Flash的命令、地址、數(shù)據都通過I/O口發(fā)送，管腳復用，這樣做做的好處是，可以明顯減少NAND FLASH的管腳數(shù)目，將來如果設計者想將NAND FLASH更換為更高密度、更大容量的，也不必改動電路板。
NAND FLASH不能夠執(zhí)行程序，本人總結其原因如下 ：
1. NAND FLASH本身是連接到了控制器上而不是系統(tǒng)總線上。CPU啟動后是要取指令執(zhí)行的，如果是SROM、NOR FLASH 等之類的，CPU 發(fā)個地址就可以取得指令并執(zhí)行，NAND FLASH不行，因為NAND FLASH 是管腳復用，它有自己的一套時序，這樣CPU無法取得可以執(zhí)行的代碼，也就不能初始化系統(tǒng)了。
2. NAND FLASH是順序存取設備，不能夠被隨機訪問，程序就不能夠分支或跳轉，這樣你如何去設計程序。
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(tǒng)，主要用來開發(fā)嵌入式系統(tǒng)初始化代碼 bootloader。bootloader是芯片復位后進入操作系統(tǒng)之前執(zhí)行的一段代碼，完成由硬件啟動到操作系統(tǒng)啟動的過渡，為運行操作系統(tǒng)提供基本的運行環(huán)境，如初始化CPU、堆棧、初始化存儲器系統(tǒng)等，其功能類似于PC機的BIOS.


從NAND閃存中啟動U-BOOT的設計

摘要：本文介紹了S3C2410中NAND閃存的工作原理，分析了從NAND閃存啟動U-BOOT的設計思路，并著重描述了NAND閃存支持U-BOOT的程序設計，移植后U-BOOT在嵌入式系統(tǒng)中運行良好。
關鍵詞：U-BOOT；NAND閃存；S3C2410；嵌入式系統(tǒng)
引言
    隨著嵌入式系統(tǒng)的日趨復雜,它對大容量數(shù)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(fā)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(xiàn)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(tǒng)，主要用來開發(fā)嵌入式系統(tǒng)初始化代碼 bootloader。bootloader是芯片復位后進入操作系統(tǒng)之前執(zhí)行的一段代碼，完成由硬件啟動到操作系統(tǒng)啟動的過渡，為運行操作系統(tǒng)提供基本的運行環(huán)境，如初始化CPU、堆棧、初始化存儲器系統(tǒng)等，其功能類似于PC機的BIOS。
NAND閃存工作原理
       S3C2410開發(fā)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(shù)據時,必須通過NAND閃存控制器發(fā)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(qū)。
       NAND閃存(K9F1208U0A)的數(shù)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(shù)據塊 (512B) + OOB塊 (16B)
在每一頁中，最后16個字節(jié)(又稱OOB)在NAND閃存命令執(zhí)行完畢后設置狀態(tài)，剩余512個字節(jié)又分為前半部分和后半部分�？梢酝ㄟ^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?yōu)?，而不能從0變?yōu)?，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(jié)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(jié)外，通常用OOB的前3個字節(jié)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(shù)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(zhí)行流程圖，可知要實現(xiàn)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(fā)環(huán)境
       本設計中目標板硬件環(huán)境如下：CPU為S3C2410，SDRAM為HY57V561620，NAND閃存為64MB的K9F1208U0A。
       主機軟件環(huán)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 $(@:_config=) arm arm920t wch2410 NULL s3c24x0
       即將開發(fā)板起名為wch2410，接下來依次進行如下操作：
mkdir board/wch2410
cp board/smdk2410 board/wch2410
mv smdk2410.c wch2410.c
cp include/configs/smdk2410.h include/configs/wch2410.h
export PATH=/usr/local/arm/2.95.3/bin:$PATH
       最后執(zhí)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(xiàn)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(shù)去執(zhí)行，執(zhí)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(shù): UBOOT在RAM中的起始地址
mov r1, #0x0                   @ 設置第2個參數(shù):NAND閃存的起始地址
mov r2, #0x20000               @ 設置第3個參數(shù): U-BOOT的長度(128KB)
bl nand_read_whole             @ 調用nand_read_whole(),把NAND閃存中的數(shù)據讀入到RAM中
tst r0, #0x0                   @ 如果函數(shù)的返回值為0,表示執(zhí)行成功
beq ok_nand_read                @ 執(zhí)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(xiàn)對nand閃存的操作。對nand閃存實現(xiàn)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(shù)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(qū)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(shù)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(zhí)行。
c. 編寫NAND閃存初始化函數(shù)
在/board/wch2410/wch2410.c中加入nand_init()函數(shù)。
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(shù)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(xiàn)這一設計的思路及具體程序。移植后，U-BOOT在嵌入式系統(tǒng)中運行良好。
參考文獻
1 杜春雷 . ARM 體系結構與編程 [M]. 北京 : 清華大學出版社， 2003
2 S3C2410 User's Mannual[Z].Samsung


本文來自ChinaUnix博客，如果查看原文請點：http://blog.chinaunix.net/u1/34267/showart_1276356.html