U-Boot從NAND Flash啟動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

王磊

（太原理工大學(xué) 信 息工程學(xué)院， 山西 太 原 0 30024）

Bootloader引導(dǎo)裝載程序是系統(tǒng)上電后運(yùn)行的第一段程序，其作用是完成基本的硬件初始化工作，所以引導(dǎo)裝載程序跟硬件有著緊密的聯(lián)系。因此必須根據(jù)開發(fā)板的硬件配置對(duì)引導(dǎo)裝載程序進(jìn)行修改才可以使其運(yùn)行起來。隨著嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜化，大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的NAND Flash的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，同時(shí)U-Boot是功能最豐富的Bootloader，但遺憾的是U-Boot不支持從NAND Flash啟動(dòng)。所以如果能實(shí)現(xiàn)U-Boot從NAND Flash啟動(dòng)的話將會(huì)給應(yīng)用帶來很大的方便。本文討論修改U-Boot使其支持從NAND Flash啟動(dòng)，采用基于S3C2440的開發(fā)板。

1 U-Boot簡介及流程分析

U-Boot，全稱universal boot loader，是遵循GPL條款的開放源代碼項(xiàng)目。可以引導(dǎo)多種操作系統(tǒng)，支持多種架構(gòu)的CPU。它支持如下操作系統(tǒng)：Linux、NetBSD、VxWorks等，支持如下架構(gòu)的CPU：PowerPC、MIPS、X86、ARM、NIOS、XScale等，同時(shí)支持NFS掛載，是一個(gè)功能豐富的BootLoader。它的整個(gè)程序框架清晰，易于移植，許多設(shè)計(jì)人員將自己的移植代碼上傳到網(wǎng)站（http：//sourceforge.net/projects/u-boot/）上，更新速度很快。目前的版本是1.1.6，本論文正是采用此版本進(jìn)行說明，U-Boot的目錄結(jié)構(gòu)參見U-Boot源代碼。

要進(jìn)行U-Boot的修改移植必須了解U-Boot的程序運(yùn)行流程，這是必要的一步。U-Boot屬于兩階段的BootLoader，其啟動(dòng)流程如圖1所示。第一階段的文件為cpu/arm920t/start.S和board/smdk2410/lowlevel_init.S，用ARM匯編語言編寫，前者是平臺(tái)相關(guān)的，后者是開發(fā)板相關(guān)的[1]。第一階段主要是關(guān)于基本硬件的初始化，包括關(guān)閉MMU、CACHE、設(shè)置PLL時(shí)鐘比例、關(guān)閉看門狗；初始化SDRAM，為復(fù)制第二階段代碼做準(zhǔn)備，最后復(fù)制第二階段代碼到SDRAM中，然后跳到SDRAM中運(yùn)行第二階段。第二階段代碼都是用C語言編寫的，功能更加復(fù)雜，主要是進(jìn)一步初始化硬件設(shè)備、檢測(cè)內(nèi)存映射、復(fù)制內(nèi)核鏡像和根文件系統(tǒng)到SDRAM以及設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)從而啟動(dòng)內(nèi)核。

圖1 U-Boot啟動(dòng)流程

2 支持NAND啟動(dòng)的代碼修改

2.1 添加NAND Flash的初始化函數(shù)

U-Boot中關(guān)于NAND Flash的初始化流程如下：在上電后最先運(yùn)行的匯編程序cpuarm920tstart．S中調(diào)用start_armboot函數(shù)，而start_armboot該函數(shù)則調(diào)用了一系列的關(guān)于設(shè)備的初始化函數(shù)。這一系列的函數(shù)中包含一個(gè)名為nand_init的函數(shù)，nand_init就是完成NAND Flash的初始化工作。

在1．1．6版 本 的U-Boot的includelinuxmtd and．h中 定義了nand_chip結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體中定義了關(guān)于NAND Flash操作的所有函數(shù)，包括讀、寫、ECC校驗(yàn)等，而這些函數(shù)在U-Boot中都有完整編寫，只是有些個(gè)別函數(shù)需要根據(jù)自己的要求重新編寫。而實(shí)現(xiàn)NAND Flash初始化的nand_init函數(shù)主要任務(wù)就是完成這些需要重新編寫的函數(shù)和用這些函數(shù)連同U-Boot中其他默認(rèn)函數(shù)來初始化nand_chip結(jié)構(gòu)體。NAND_init中的board_nand_init函數(shù)在U-Boot中并未實(shí)現(xiàn)，顯然需要重新編寫的函數(shù)就在其內(nèi)添加[2]。

先在cpuarm920ts3c24x0中添加nand．c文件，然后在該文件中實(shí)現(xiàn)所需要的初始化函數(shù)。一般只需要重新編寫nand_chip結(jié)構(gòu)體中相對(duì)應(yīng)的hwcontrol、dev_ready和select_chip函數(shù)。這些函數(shù)的構(gòu)建可參照linux內(nèi)核2．6版本里的driversmtd ands3c2410．c文件來進(jìn)行編寫，如內(nèi)核文件中的s3c2440_nand_hwcontrol，s3c2440_nand_devready，s3c2410_nand_select_chip函數(shù)，然后將其賦值給nand_chip結(jié)構(gòu)體中對(duì)應(yīng)的函數(shù)[3－4]。

接著在/include/configs/SMDK2410．h中的CONFIG_COMMANDS內(nèi)添加

同時(shí)在最后添加

初始化函數(shù)工作基本完成。最后修改Makefile，把nand．c文件添加進(jìn)工程。

2.2 實(shí)現(xiàn)NAND啟動(dòng)

由于NAND的自身特點(diǎn)，對(duì)NAND Flash的操作不能像對(duì)NOR Flash那樣方便地直接對(duì)地址進(jìn)行操作，而是通過讀寫NAND Flash控制器的寄存器來完成。三星公司的S3C2440自帶NAND Flash控制器，寄存器的地址是從nGCS4的地址開始。S3C2440處理器有NOR和NAND兩種啟動(dòng)模式，當(dāng)選擇從NAND模式啟動(dòng)時(shí)，S3C2440會(huì)把NAND Flash的前4 K數(shù)據(jù)搬運(yùn)到內(nèi)部稱為Steppingstone的硬件中，同時(shí)把Steppingstone映射到地址0X00處，從而啟動(dòng)，啟動(dòng)完成后處理器會(huì)把Steppingstone釋放掉以作為他用。U-Boot的一般大小都上100 K，遠(yuǎn)大于4 K，所以實(shí)現(xiàn)從NAND啟動(dòng)的原理就是讓前4 K代碼完成基本初始化，重要的是把NAND Flash中的U-Boot代碼復(fù)制到SDRAM中，從而跳到SDRAM中去執(zhí)行[5]。分析可知，S3C2440的該特點(diǎn)為U-Boot從NAND Flash啟動(dòng)提供了可能。本文討論的實(shí)現(xiàn)思路就是依據(jù)此原理。

源代碼中有/board/smdk2410/u－boot/lds，該文件是U-Boot代碼的鏈接腳本，有如下代碼：

可以看到Text段也就是程序代碼段，被編譯鏈接到0X00地址處，同時(shí)start．S編譯后的目標(biāo)文件start．o被放到text段的第一個(gè)文件處，所以start．S就是程序上電運(yùn)行的第一段代碼，而/cpu/arm920t/start．S這個(gè)匯編文件正是U-Boot的程序代碼入口。因此代碼修改和添加主要在start．S中完成，以此來保證NAND啟動(dòng)代碼可以在最終程序編譯鏈接所生成的文件的前4 K內(nèi)。

NAND Flash讀寫操作比較復(fù)雜，匯編實(shí)現(xiàn)較為麻煩，沒有C語言簡單容易，因此用C語言實(shí)現(xiàn)對(duì)NAND的操作復(fù)制工作，最后在start．s中調(diào)用編寫的C程序即可。

在/board/smdk2410/中添加boot_init．c文件，在其中實(shí)現(xiàn)nand_reset（nand重置函數(shù)）、wait_idle（等待即查詢?cè)O(shè)備是否讀寫就位）、nand_select_chip（片選使能）、nand_deselect_chip（取 消 片 選 ）、write_cmd（寫 命 令 ）、write_addr（寫地址 ）、read_data（讀數(shù)據(jù)）、nand_init（nand控制器初始化）這些子函數(shù)和copy2ram函數(shù)，同時(shí)在copy2ram中依據(jù)NAND Flash的讀寫操作特點(diǎn)來調(diào)用這些子函數(shù)。具體操作流程如圖2所示。

對(duì)NAND Flash中的代碼復(fù)制操作函數(shù)已經(jīng)完成，接下來只要在start．S中調(diào)用copy2ram函數(shù)就完成工作。匯編文件start．S中 ，relocate、copy_loop段代碼為U-Boot中原先的復(fù)制代碼過程，去掉這2段代碼，添加自己的代碼。由于編寫的是C代碼，所以在start.S中調(diào)用copy2ram函數(shù)前必須先設(shè)定好指針、堆棧，另外copy2ram要用到的參數(shù)是通過r0、r1、r2寄存器傳遞的。

圖2 NAND Flash操作流程

在stack_setup設(shè)置堆棧代碼后面添加如下代碼：

上面第一段代碼主要是檢測(cè)程序是否已經(jīng)在內(nèi)存中運(yùn)行，如果已經(jīng)在內(nèi)存中，顯然代碼就無需復(fù)制，程序就會(huì)跳過復(fù)制階段往后執(zhí)行，第二段是設(shè)定參數(shù)，把參數(shù)放入相應(yīng)寄存器，最后調(diào)用copy2ram函數(shù)。

自此關(guān)于NAND啟動(dòng)的主要代碼修改和添加已經(jīng)完成，但還有很重要的一處需要修改，關(guān)于環(huán)境參數(shù)的存放問題。環(huán)境參數(shù)緊隨著U-Boot在NAND Flash中存放，在其之后是內(nèi)核鏡像文件。在U-Boot的第二階段中有個(gè)名為env_relocate的函數(shù)，它會(huì)把環(huán)境參數(shù)復(fù)制到RAM中，而環(huán)境參數(shù)中需要向Linux內(nèi)核傳遞的參數(shù)會(huì)在內(nèi)核啟動(dòng)前重新構(gòu)建成標(biāo)記列表，同時(shí)把該標(biāo)記列表放在跟內(nèi)核約定好的地址處。因此必須指明環(huán)境參數(shù)的存放位置，否則無法復(fù)制到內(nèi)存，從而需要傳遞到內(nèi)核的參數(shù)也就無法完成傳遞[6]。修改如下：在/include/configs/smdk2410.h中添加：

第一行指定環(huán)境變量在NAND Flash中，后面2行分別指定其在NAND Flash中的大小和偏移量。關(guān)于NAND啟動(dòng)的部分全部完成。

3 U-Boot其他部分修改

由于所開發(fā)的開發(fā)板是基于S3C2440的，U-Boot中沒有S3C2440的配置文件，只能仍用SMDK2410模板來進(jìn)行修改。主要修改有兩處：1）在/include/s3c24x0.h中添加S3C2440_NAND結(jié)構(gòu)體；2）由于S3C2410和S3C2440的時(shí)鐘寄存器有些不一樣，所以需要修改時(shí)鐘獲得函數(shù)，在/cpu/arm920t/s3c24x0/speed.c修改。特別要注意的是機(jī)器ID的問題，在/include/asm-arm/mach-types.h中定義了各個(gè)開發(fā)板的ID號(hào)，必須要保證所定義的開發(fā)板的ID號(hào)跟內(nèi)核一致，否則內(nèi)核無法啟動(dòng)。

4 結(jié)束語

針對(duì)U-Boot不支持從NAND啟動(dòng)的缺點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行修改。添加了關(guān)于NAND Flash的操作函數(shù)和支持從NAND啟動(dòng)的函數(shù)。本文詳細(xì)闡述了U-Boot從NAND啟動(dòng)的原理和修改過程。修改過后的U-Boot可以直接從NAND Flash啟動(dòng)，這樣就可以摒棄傳統(tǒng)依賴NOR Flash啟動(dòng)的硬件設(shè)計(jì)，使用只依賴NAND Flash作為存儲(chǔ)器的硬件設(shè)計(jì)，從而簡化電路，給應(yīng)用帶來極大方便。

[1]韋東山．嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊(cè)[M]．北京：人民郵電出版社，2008.

[2]詹榮開．嵌入式系統(tǒng)Bootloader技術(shù)內(nèi)幕[EB/OL]．http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-btloader/index.html.

[3]宋寶華．Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)詳解[M]．北京：人民郵電出版社，2008.

[4]杜春雷．ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[5]SAMSUNG Electronics.S3C2440A 32-bit CMOS microcontrolleruser'smanual[DB/OL]．http://www.datasheetarchive.com/S3C2440-datasheet.html.

[6]鄭家玲，張?jiān)品澹瑢O荷琨．嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)核載入過程淺析[J]．微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2002（11）：59-60.