关于S3C2440从NAND Flash启动的问题

本文来自：http://blog.chinaunix.net/u2/69674/showart_1212448.html

用的是S3C2410.见附件start.s 其中关于nand flash启动的那一段一直百思不得其解,按说从NAND FLASH启动时,应该是前4KB映射到NGCS0,其中的代码将NAND中存放的程序拷贝到RAM中,但该文件提供的程序好象是先从NAND拷贝 128K的代码到ResetEntry开始的地方,即地址为0的地方,然后再从ResetEntry处拷到RAM中,但此时NGCS0好象只有4KB的 RAM区,怎么能存储128K的代码,一直没想通.望高手指点,谢谢!

搞明白了,是两条指令的差别

LDR r0,=_entry和ADR r0,_entry

前者是在编译的时候按照load address生成的绝对地址,后者反汇编后是相对当前PC寻址,例如在ADS中设置RO地址为0X30000000,那么前者传给r0的值是 0x30000000,而后者传给r0的值要视当前PC而定,一般从NGCS0中启动时,传给r0的值就是0。

 

amsung S3C2410支持Nor Flash和Nand Flash启动,在SBC-2410X上可以通过BOOTSEL跳线设置启动方式:
    |------|
    | 。。 |      boot from nand flash
    |------|

------。。        boot from nor flash

注: 
(1) BOOTSEL跳线在"串口"和"usb slave接口"之间
(2) 两个引脚用"跳线卡"连接，则表示从nand flash启动。拔下"跳线卡"表示从nor flash启动。

 

椐了解 NOR FLASH 是容量小，速度快，稳定性好，适合做程序存储器。

NAND FLASH 总容量大，适合做数据存储器
是不能从NAND FLASH启动的，NAND FLASH是的读写时序是不能直接有ARM硬件产生的，要读写NAND FLASH是要通过程序来实现的，很明显能看出来的就是NAND FLASH只有8个数据、地址复用的数据地址接口
2410/2440可以直接从NAND FLASH启动的，因为它把NAND前面的4K映射到了RAM的空间

首先应该先了解Flash ROM的种类

NOR FLASH地址线和数据线分开，来了地址和控制信号，数据就出来。

NAND Flash地址线和数据线在一起，需要用程序来控制，才能出数据。

通俗的说，就是光给地址不行，要先命令，再给地址，才能读到NAND的数据。

而且都是在一个总线完成的。

结论是：ARM无法从NAND直接启动。除非装载完程序，才能使用NAND Flash.

装载程序只能从mask rom 或者Nor flash.

 

三星的2410可以从NF启动程序,它会把第一块的前4KB复制到内部SRAM中然后从SRAM执行,也就是说,你需要编写一个长度小于4K的引导程序,作用是将主程序拷贝到SDRAM中运行(NF地址不是线性的,程序不能直接运行,必须拷贝到线性RAM中)

从Nand Flash启动U-BOOT的基本原理
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前4K的问题
    如果S3C2410被配置成从Nand Flash启动(配置由硬件工程师在电路板设置), S3C2410的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。
启动程序的安排
    由于Nand Flash控制器从Nand Flash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,我们必须完成S3C2410的核心配置以及把启动代码(U-BOOT)剩余部分搬到RAM中运行。

    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)。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。

 2. NAND FLASH是顺序存取设备，不能够被随机访问，程序就不能够分支或跳转，这样你如何去设计程序。

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.

 

 

NAND闪存工作原理

       S3C2410开发板的NAND闪存由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；
   
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。

       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