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(dǎo)程序的移植,、燒寫的具體設(shè)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(shè)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(dǎo)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(shè)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(yīng)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(chǔ)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(shè)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(shè)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(shè)備的外設(shè)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(shè)備,，因此所有的引導(dǎo)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(fù)位時引腳BTSEL[1：0]電平?jīng)Q定,，當(dāng)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(dāng)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(dǎo)程序UBL（USER BOOT LOADER）,。當(dāng)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(dǎo)程序主要做系統(tǒng)的初始化,，然后將二級引導(dǎo)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(dǎo)程序)從NAND Flash中讀取到RAM中,，然后啟動它，由U-BOOT負責(zé)操作系統(tǒng)的引導(dǎo)[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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(shè)置PLL1_PLLM=21,，即設(shè)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(shè)置PLL2_PLLM=23，PLL2_PLLDIV2→RATIO=1,，PLL2_PLLDIV2的第15位為分頻允許位,，應(yīng)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(shè)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(shè)備號命令0x90得到NAND Flash的設(shè)備號,，然后從數(shù)組gNandDevInfo[]中查找具有相同設(shè)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(shè)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(dǎo)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(shè)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(biāo)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(biāo)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(yīng)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(shè)置U_BOOT環(huán)境變量,，再次引導(dǎo)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
[1] TI Corporation.TMS320DM6446 Digital Media System-on-Chip[EB/OL].[2008-03-31].http：//www.ti.com/lit/gpn/tms320dm6446.
[2] TI Corporation.TMS320DM644x DMSoC ARM Subsystem Reference Guide[EB/OL].[2009-03-31].http：//www.ti.com/litv/pdf/sprue14b.
[3] TI Corporation.TMS320DM644x DMSoC Asynchronous External Memory Interface(EMIF) Reference Guide[EB/OL]. [2009-02-24].http：//www.ti.com/litv/pdf/sprue20c.
[4] 王化福,，孫同景.從NAND Flash啟動嵌入式操作系統(tǒng)[J].可編程控制器與工廠自動化，2009(5)：79-80.
[5] Samsung Corporation. K9XXG08UXA Flash Memory[S],2006.