基于S3C2410开发板的U-BOOT移植解决方案
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。
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执行流程图如图1所示。
图1 u-boot启动流程图
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。
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图1 u-boot启动流程图
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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。
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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。
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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：
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然后在/cpu/arm920t/start.s中添加
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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
。..。..。
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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。
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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）;
}
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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
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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。
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