Davinci平臺下大頁面NAND Flash上的系統(tǒng)構(gòu)建問題

摘 要： 以TI公司新一代Davinci TMS320DM6446嵌入式處理器為例，詳細描述了在NAND Flash上構(gòu)建嵌入式Linux操作系統(tǒng)的一般方法。結(jié)合Sumsang公司的K9K8G08U0A大頁面NAND Flash，給出了引導程序的移植、燒寫的具體設計及實現(xiàn)過程，提供基于大頁面NAND Flash作為唯一外部存儲設備的穩(wěn)定、可靠的解決方案 。為新一代Davinci系列處理器的配置、使用提供了參考。
關(guān)鍵詞： Davinci；NAND Flash；大頁面；引導程序；Linux

達芬奇（Davinci）系列嵌入式處理器是TI公司的具有高速處理能力的新一代嵌入式設備[1]，它同時具備了DSP和精簡指令級計算機技術(shù)的優(yōu)點。它集成了一個高性能的DSP核心與一個ARM9內(nèi)核，被廣泛應用于嵌入式圖片、視頻處理中[2]。在Davinci平臺下，通常以ARM核為基礎構(gòu)建嵌入式操作系統(tǒng)，但是目前經(jīng)常采用一片NOR Flash加上一片NAND Flash作為外部存儲設備，并且通常都是256 B/頁或者512 B/頁的小頁面NAND Flash，本文旨在只以一片2 KB/頁的大頁面NAND Flash(Samsung K9K8G08U0A)作為外部存儲設備、Davinci TMS320DM6446作為處理器的硬件結(jié)構(gòu)下，闡述構(gòu)建穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)需要解決的問題。
1 問題概述
EMIF是用來連接Flash、SRAM等多種存儲設備的外設端口。TMS320DM6446的EMIF端口支持每路32 MB總共4路可尋址的片選空間，支持8 bit以及16 bit的數(shù)據(jù)總線寬度，具有可編程的建立、選通以及保持時間，還具備NAND Flash ECC校驗數(shù)據(jù)生成功能等[5]，因此可以方便靈活地與外部NAND Flash芯片通信。在本文的硬件系統(tǒng)中，即采用TMS320DM6446的EMIF的CS2空間與Samsung K9K8G08U0A NAND Flash相連。
由于本系統(tǒng)只有一片NAND Flash作為外部的存儲設備，因此所有的引導程序、操作系統(tǒng)內(nèi)核以及根文件系統(tǒng)均需要存儲在這上面，系統(tǒng)也就需要從NAND Flash啟動。TMS320DM6446具有多種啟動方式，具體由哪種方式啟動，由系統(tǒng)復位時引腳BTSEL[1：0]電平?jīng)Q定，當BTSEL[1:0]被置為“01”時，TMS320DM6446的ARM核從EMIFA的EM_CS2存儲空間開始執(zhí)行(地址為0x0200 0000)，這種情況下EMIF連接的是具有線性地址的非易失存儲器，通常是NOR Flash。當BTSEL[1:0]不為“01”時，TMS320DM6446內(nèi)部的ROM BOOT LOADER(簡稱RBL)開始運行，RBL再根據(jù)BTSEL[1:0]的不同值決定從何處加載用戶的引導程序UBL（USER BOOT LOADER）。當BTSEL[1:0]為“00”時，RBL將從連接到EMIF的CS2空間的NAND Flash中加載UBL。由于RBL的加載過程是將UBL拷貝到ARM的內(nèi)部RAM中，因此對于UBL的大小限制在14 KB以內(nèi)，但是在嵌入式環(huán)境常用的U-BOOT、ViVi等的大小都遠超過這個限制，因此需要多級加載，一級引導程序主要做系統(tǒng)的初始化，然后將二級引導程序（在本系統(tǒng)中采用U-BOOT，本文后面提到的UBL均指一級引導程序)從NAND Flash中讀取到RAM中，然后啟動它，由U-BOOT負責操作系統(tǒng)的引導[4]。于是整個NAND Flash上系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵問題包括如何移植UBL，以使其能夠正常初始化系統(tǒng)，正常加載二級引導程序U-BOOT到RAM中，U-BOOT的移植使其滿足大頁面NAND Flash的讀寫要求以及裸機時引導程序的燒寫。
2 UBL移植
UBL為TI公司提供的對于Davinci系列處理器通過內(nèi)部的ROM BOOT LOADER啟動時的一級引導程序。其工作流程如圖1所示。

UBL的移植主要針對本系統(tǒng)中硬件板的結(jié)構(gòu)修改系統(tǒng)初始化過程以及增加對Samsung K9K8G08U0A NAND Flash的支持，以下分別闡述。
2.1 系統(tǒng)初始化
2.1.1 設置CPU、DDR工作頻率
TMS320DM6446具有兩路PLL，其中PLL1通過分頻供系統(tǒng)的主時鐘及大部分外設的時鐘，PLL2供DDR2使用。DSP時鐘頻率為SYSCLK1=27 MHz×(PLL1_PLLM+1)，使用固定一分頻，本系統(tǒng)中DSP工作在正常頻率594 MHz，因此需設置PLL1_PLLM=21，即設置寄存器0x1C4 0910為21。
本系統(tǒng)使用兩片K4T1G164QQ-HCE6 DDR2 SDRAM作為系統(tǒng)內(nèi)存，該芯片為DDR2 667芯片，時鐘頻率為333 MHz。TMS320DM6446中DDR2使用PLL2的PLLDIV2分頻作為時鐘頻率，計算公式為(27 MHz×(PLL2_PLLM+1))/(PLL2_PLLDIV2→RATIO+1)。因此設置PLL2_PLLM=23，PLL2_PLLDIV2→RATIO=1，PLL2_PLLDIV2的第15位為分頻允許位，應置為1，所以PLL2_PLLDIV2為0x8001，即寄存器0x1C4 0D10=23，0x1C4 0D1C=0x8001。
2.1.2 配置EMIF接口
根據(jù)Samsung K9K8G08U0A NAND Flash的讀、寫時序要求，TMS320DM6446的EMIF用于與NAND Flash連接時，配置寄存器各字段值需滿足如下要求：
RSETUP≥tCLR(m)/tCYC-1=0
RSTORBE≥max((tREA(m)+tSU)/tCYC，tRP(m)/tcyc)-1=1.5
R_SETUP+R_STROBE≥(tCEA(m)+tSU)/tcyc-1=2
R_HOLD≥(tH-tCHZ(m))/tcyc-1=-4
R_SETUP+R_STROBE+R_HOLD≥tRC(m)/tcyc-3=-0.5
TA≥max((tCHZ(m))/tcyc，(tRHZ(m)-(R_HOLD+1)tcyc)/(tcyc))-1≥2
W_SETUP≥max(tCLS(m)/tcyc，tALS(m)/tcyc，(tCS(m)/tcyc)-1=1
W_STROBE≥tWP(m)/tcyc-1=0.2
W_SETUP+W_STROBE≥tDS(m)/tcyc-1=0.2
W_HOLD≥max((tCLH(m))/(tcyc)，(tALH(m))/tcyc，(tCH(m))/(tcyc)，(tDH(m))/(tcyc))-1=-0.5
W_SETUP+W_STROBE+W_HOLD≥tWC(m)/(tcyc)-3=-0.5
其中tSU是EMIF數(shù)據(jù)建立時間，取值5 ns，tH數(shù)據(jù)保持時間取0，EMFI時鐘為系統(tǒng)6分頻，所以tcyc=1/(27×(21+1)/6)≈10 ns，根據(jù)EMIF連接NAND的取值要求，設置EMIF CS2的配置寄存器值為0x842429c。
2.2 支持Samsung K9K8G08U0A NAND Flash
UBL通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct _NAND_DEV_STRUCT_來表示一個型號的NAND Flash，具有devID、numBlocks、pagesPerBlock、bytesPerPage幾個字段。通過struct _NAND_
DEV_STRUCT_類型的數(shù)組gNandDevInfo[]來記錄所有支持的NAND Flash。UBL在從NAND Flash讀取數(shù)據(jù)之前，首先通過讀取設備號命令0x90得到NAND Flash的設備號，然后從數(shù)組gNandDevInfo[]中查找具有相同設備號的記錄，從而得到NAND Flash的詳細信息，以確定NAND Flash的讀方式。
因此，需要UBL支持特定的NAND Flash，只需要將其信息添加到數(shù)組gNandDevInfo[]中即可。本系統(tǒng)中用到的Samsung K9K8G08U0A NAND Flash設備號為0xD3，具有8 192個存儲塊，每個塊具有64個頁面，每頁具有2 048 B數(shù)據(jù)存儲區(qū)域以及64 B的Spare區(qū)域，在數(shù)組gNandDevInfo[]中添加{0xD3，8192，64，2048+64}即可。
3 U-BOOT移植
本系統(tǒng)中使用的U-BOOT引導程序由TI公司提供的支持Davinci平臺以及NAND Flash啟動的U-BOOT1.1.3移植而來。
3.1 NAND Flash讀寫時序
U-BOOT1.1.3不支持2 KB/page的大頁面Flash，因此移植過程主要是增加NAND Flash的讀寫、擦除。2 KB頁面NAND Flash與普通讀寫擦除最主要的區(qū)別在于地址構(gòu)成不同，本系統(tǒng)中用到的Samsung K9K8G08U0A NAND Flash總共存儲空間1 GB=230，每頁大小為2 KB=211，因此總的地址長度30 bit，從A0～A29，頁地址長度為11 bit，從A0～A10，本系統(tǒng)采用8 bit的地址數(shù)據(jù)寬度連接NAND Flash，頁地址和塊地址需要分不同的地址周期，因此NAND的地址需要5個周期送出，前兩個周期為頁地址，依次為地址的A0～A7、A8～A10，后三個周期為塊地址，依次為地址的A11～A18、A19～A26、A27～A29，頁地址和塊地址的最后一個周期不足8位，不足的高位均為0。
Samsung K9K8G08U0A的讀過程如下：寫0x00命令、分5個周期寫地址、寫0x30命令、讀數(shù)據(jù)、根據(jù)讀出的數(shù)據(jù)生成ECC校驗數(shù)據(jù)、生成的ECC數(shù)據(jù)與讀出的ECC數(shù)據(jù)比對以確定數(shù)據(jù)是否有誤以及能否校正。
寫過程如下：寫0x80命令、分5個地址周期寫地址、送出數(shù)據(jù)(包括ECC校驗數(shù)據(jù))、寫0x10命令、讀取狀態(tài)直到busy信號無效、檢查是否出現(xiàn)寫錯誤。
擦除過程如下：寫0x60命令、分三個地址周期寫塊地址、寫0xD0命令、讀取狀態(tài)直到busy信號無效、檢查是否出現(xiàn)擦除錯誤。
3.2 YAFFS2文件系統(tǒng)燒寫
YAFFS2鏡像燒寫與U-BOOT下普通寫NAND Flash區(qū)別在于spare區(qū)域的數(shù)據(jù)不需要程序根據(jù)數(shù)據(jù)存儲區(qū)的數(shù)據(jù)生成，spare區(qū)域的數(shù)據(jù)在制作YAFFS2鏡像時，已經(jīng)由鏡像制作工具生成并寫入了鏡像文件。因此在nand命令的write中增加.yaffs2選項，當使用nand write.yaffs2命令時，直接從指定地址中讀出2 048 B/頁數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)后緊跟的64 B的spare區(qū)域數(shù)據(jù)，并將其寫入NAND Flash中。
U-BOOT在Flash的讀寫過程中需要檢查壞塊情況，在開始讀寫每個塊的時候首先檢查該塊第一頁以及第二頁的spare區(qū)域的第一個數(shù)據(jù)是否為0xFF，如果不為0xFF則當前塊為壞塊，需要跳過它。
4 燒寫程序
在UBL以及U-BOOT被固化進NAND Flash之前，系統(tǒng)處于裸機狀態(tài)，無法正常引導操作系統(tǒng)，燒寫程序的作用是在裸機狀態(tài)下借助仿真器的作用，將UBL以及U-BOOT燒寫到NAND Flash正確位置的。
前面已經(jīng)提到，本系統(tǒng)采用的Samsung K9K8G08U0A NAND Flash具有8 192個存儲塊（block）。這8 192個塊按照如下分配其使用方式：第0塊在出廠時確保不是壞塊，用作整個NAND Flash的壞塊信息存儲；第1～3塊存儲UBL；第4～7塊存儲U-BOOT；第8塊存儲U-BOOT環(huán)境變量；第9～40塊存儲Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核；第41～8 191塊存儲YAFFS2文件系統(tǒng)。
實際中，UBL和U-BOOT都只需要占用一個存儲塊的存儲空間，由于考慮到NAND Flash可能有壞塊的存在，于是在設計燒寫程序時，為UBL增加了2個冗余塊，為U-BOOT增加了3個冗余塊，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地從NAND Flash上啟動。
燒寫程序是系統(tǒng)在沒有任何程序的裸機情況下執(zhí)行的，燒寫程序需要通過仿真器加載到系統(tǒng)目標板的DDR2中運行。由于加載程序時系統(tǒng)未執(zhí)行任何程序，也就沒有做任何初始化，DDR2也處于不可用狀態(tài)，系統(tǒng)將無法加載程序。TI的CCS集成環(huán)境提供了GEL文件來解決這一問題，在仿真器連接目標板時會自動執(zhí)行GEL文件中的OnTargetConnect（）函數(shù)，在該函數(shù)中，需要對系統(tǒng)做初始化。
燒寫程序在被加載到內(nèi)存后，即可被執(zhí)行來完成UBL以及U-BOOT的燒寫，程序執(zhí)行過程如圖2所示。

數(shù)據(jù)寫入時需要注意UBL是由TMS320DM6446內(nèi)部的ROM BOOT LOADER讀入到內(nèi)部RAM中然后執(zhí)行的，因此，燒寫程序?qū)τ贓CC校驗數(shù)據(jù)的生成以及ECC數(shù)據(jù)在spare區(qū)域的存儲位置必須要與ROM BOOT LOADER讀取數(shù)據(jù)時的校驗方式一致。ROM BOOT LOADER采用EMIF的硬件ECC校驗，每512 B的數(shù)據(jù)產(chǎn)生4 B的校驗數(shù)據(jù)，并按照如下方式存儲：spare區(qū)域地址從0x00到0x3F，其中0x08-0x0B存儲第1個512 B數(shù)據(jù)的第3-0位ECC數(shù)據(jù)，0x18-0x1B存儲第2個512 B數(shù)據(jù)的第3-0位ECC數(shù)據(jù)，0x28-0x2B存儲第3個512 B數(shù)據(jù)的第3-0位ECC數(shù)據(jù)，0x38-0x3B存儲第4個512 B數(shù)據(jù)的第3-0位ECC數(shù)據(jù)。因此，在燒寫程序中也使用EMIF硬件ECC校驗來生成校驗數(shù)據(jù)，在每次寫入數(shù)據(jù)達到512 B時，通過讀寄存器NANDF1ECC（地址為0x0200 0070）來獲得ECC值，最后在一頁數(shù)據(jù)寫入完畢后寫入到spare區(qū)域的對應位置。
在UBL以及U_BOOT成功燒寫到NAND Flash后，系統(tǒng)上電，U_BOOT成功執(zhí)行，通過U_BOOT將Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核以及YAFFS2文件系統(tǒng)鏡像燒寫到NAND Flash，設置U_BOOT環(huán)境變量，再次引導系統(tǒng)，Linux系統(tǒng)正常啟動。本系統(tǒng)中成功實現(xiàn)了從裸機到整個系統(tǒng)的構(gòu)建，解決了對大頁面NAND Flash的不支持，同時考慮了NAND Flash存在的壞塊情況，系統(tǒng)在實際使用中運行穩(wěn)定可靠。
參考文獻
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