Ref : http://www.360doc.com/content/11/0521/10/2200926_118296171.shtml
Ref : http://tw.myblog.yahoo.com/chimei-015/article?mid=521&next=519&l=f&fid=18
Ref : http://hi.baidu.com/rbdr/blog/item/63bffb5476360f4c564e00bf.html
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从NAND闪存中启动U-BOOT的设计
摘要：本文介绍了S3C2410中NAND闪存的工作原理，分析了从NAND闪存启动U-BOOT的设计思路，并着重描述了NAND闪存支持U-BOOT的程序设计，移植后U-BOOT在嵌入式系统中运行良好。
关键词：U-BOOT；NAND闪存；S3C2410；嵌入式系统
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。
Fig 1. U-boot Flowchart (http://tw.myblog.yahoo.com/chimei-015/article?mid=521&next=519&l=f&fid=18)
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 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
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
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。
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。
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。
APPENDIX
U-boot 流程分析
********************************************************
1.最开始系统上电后
ENTRY(_start)程序入口点是 _start board/mingddie/u-boot.lds
2._start: cpu/mips/start.S
3. la t9, board_init_f 将函数board_init_f地址赋予t9
j t9 跳转到t9寄存器中保存的地址指向的指令
即跳转到RAM 中执行 C 代码
这里会打印一些信息。
3.1 board_init_f() lib_mips/board.c
初始化外部内存
relocate_code() 回到cpu/mips/start.S中继续执行
4.la t9,board_init_r cpu/mips/start.S
j t9 将函数board_init_r地址赋予t9
跳转到t9寄存器中保存的地址指向的指令
即跳转到RAM 中执行 C 代码
这里会打印一些信息
4.1 board_init_r() 函数 lib_mips/board.c
4.2 main_loop() common/main.c
s=getenv ("bootcmd") 取得环境变量中的启动命令行,如bootcmd=bootm 0xbf020000
run_command (s, 0); //执行这个命令行 ,即bootm
4.3 do_bootm() common/cmd_bootm.c
// printf ("## Booting image at %08lx ...\n", addr); //比如
5. bootm 启动内核
5.1 do_bootm_linux() lib_mips/mips_linux.c
函数解析
***************************************************
1.board_init_f()
1.1
void board_init_f(ulong bootflag)
{
for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
hang ();
}
}
//调用init_sequence 函数队列，对板子进行一些初始化，详细见后面
初始化external memory，初始化堆栈用cache作堆栈，为
relocate_code (addr_sp, id, addr); //回到cpu/mips/start.S 中
/* NOTREACHED - relocate_code() does not return */
}
1.2
typedef int (init_fnc_t) (void);
init_fnc_t *init_sequence[] = {
clx_board_init, //初始化GPIO，CPU速度，PLL，SDRAM 等
timer_init, //时钟初始化
env_init, //环境变脸初始化
incaip_set_cpuclk, //根据环境变量设置CPU 时钟
init_baudrate, //初始化串口波特率
serial_init, /* serial communications setup */
console_init_f, //串口初始化，后面才能显示
display_banner, //在屏幕上输出一些显示信息
checkboard,
init_func_ram,
NULL,
};
2.board_init_r()
（1）调用一系列的初始化函数。
（2）初始化Flash设备。
（3）初始化系统内存分配函数。
（4）如果目标系统拥有NAND设备，则初始化NAND设备。
（5）如果目标系统有显示设备，则初始化该类设备。
（6）初始化相关网络设备，填写IP、MAC地址等。
（7）进去命令循环（即整个boot的工作循环），接受用户从串口输入的命令，然后进行相应的工作
void board_init_r (gd_t *id, ulong dest_addr)
{
/* configure available FLASH banks */ //配置可用的flash单元
size = flash_init(); //初始化flash
display_flash_config (size); //显示flash 的大小
/* initialize malloc() area */
mem_malloc_init();
malloc_bin_reloc();
puts ("NAND:");
nand_init(); /* go init the NAND */ //NAND初始化
/* relocate environment function pointers etc. */
env_relocate(); //初始化环境变量
/* board MAC address */
s = getenv ("ethaddr"); //以太网MAC地址
for (i = 0; i < 6; ++i) {
bd->bi_enetaddr[i] = s ? simple_strtoul (s, &e, 16) : 0;
if (s)
s = (*e) ? e + 1 : e;
}
/* IP Address */
bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr("ipaddr");
pci_init(); //pci初始化配置
/** leave this here (after malloc(), environment and PCI are working) **/
/* Initialize devices */
devices_init ();
jumptable_init ();
/* Initialize the console (after the relocation and devices init) */
console_init_r (); //串口初始化
/* miscellaneous platform dependent initialisations */
misc_init_r ();
puts ("Net: ");
eth_initialize(gd->bd);
/* main_loop() can return to retry autoboot, if so just run it again. */
for (;;) {
main_loop (); //循环执行，试图自动启动，接受用户从串口输入的命令，
然后进行相应的工作，设置延时时间，确定目标板是进入下载模式还是启动加载模式
}
/* NOTREACHED - no way out of command loop except booting */
}
3.main_loop()
void main_loop (void)
{
s = getenv ("bootdelay"); //从环境变量中取得bootdelay 内核等待延时
bootdelay = s ? (int)simple_strtol(s, NULL, 10) : CONFIG_BOOTDELAY;
debug ("### main_loop entered: bootdelay=%d\n\n", bootdelay);
s = getenv ("bootcmd"); //从环境变量中取得bootcmd 启动命令行
如bootcmd=tftp;bootm 或者 bootcmd=bootm 0xbf020000
char *s1 = getenv ("bootargs"); //从环境变量中取得bootargs 启动参数
debug ("### main_loop: bootcmd=\"%s\"\n", s ? s : "<UNDEFINED>");
run_command (s, 0); //执行启动命令
//手动输入命令
for (;;) {
len = readline (CFG_PROMPT); //读取键入的命令到CFG_PROMPT 中
rc = run_command (lastcommand, flag); //执行这个命令
}
#endif /*CFG_HUSH_PARSER*/
}
4.do_bootm()
int do_bootm (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])
这个函数看着挺长的，其实无非就是将内核解压缩，然后调用do_bootm_linux引导内核
5.do_bootm_linux() lib_mips/mips_linux.c
打印信息Starting kernel ...
void do_bootm_linux (cmd_tbl_t * cmdtp, int flag, int argc, char *argv[],
ulong addr, ulong * len_ptr, int verify)
{
char *commandline = getenv ("bootargs");
theKernel =
(void (*)(int, char **, char **, int *)) ntohl (hdr->ih_ep);
//hdr为指向image header的指针，hdr->ih_ep就是我们用mkimage创建image时-e选项的参数:内核的入口地址
linux_params_init (UNCACHED_SDRAM (gd->bd->bi_boot_params), commandline);
/* we assume that the kernel is in place */
printf ("\nStarting kernel ...\n\n");
theKernel (linux_argc, linux_argv, linux_env, 0); //启动内核
}
u-boot向内核传递启动参数由一系列在include/configs/.h中的宏控制，启动参数传递的地址在board_init中初始化
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
2 S3C2410 User's Mannual[Z].Samsung
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