SC6800H平台Bootloader和Nandflash学习交流

1、SC6800H平台Bootloader和Nand flash学习交流Author：车国盛Date：2012.04.11内容提纲1.Bootloader简介2.为什么需需要Bootloader？3.Bootloader存放在哪哪里?为什么?4.Bootloader运行在哪哪里?5.Bootloader代码构架架是怎样样的?6.Boot parameter如何设定定的？7.Bootloader代码解读读8.Nandflash简介9.Nandflash和Norflash比较10.Nandflash工作原理理11.Nandflash的ECC简介12.Nandflash常用的软软件管理理方案13.680

2、0H平台NandInterface简介14.6800H平台Nandflash驱动配置置15.6800H平台Nandflash分区Bootloader简介Bootloader就是一段段小程序序,它在系统统上电时时开始执执行,初始化硬硬件设备备、准备备好软件件环境,最后调用用系统内内核。典型的嵌嵌入式系系统Bootloader有Blob (boot loadobject)和U-boot(universalboot loader),其中U-boot支持ARM,MIPS,X86,Nios,可启动VxWorks,QNX,Linux什么是Bootloader？为什么需需要BootloaderNand与No

3、r的区区别Nand不能runinplace,Nand不支支持即时时的读写写操作,需要将将代码拷拷贝到RAM执行;Nand会会有坏块块,需要要一个坏坏块管理理模块,这个模模块相对对来说还还是比较较复杂的的。Nand的的坏块特特性决定定了从Nand拷贝代代码到RAM是是一个相相对比较较复杂的的动作。SDRAMSDRAM需要初始始化,这意味着着最早的的一些代代码不能能在SDRAM中执行,需要先在在IRAM中运行;IRAM很小。Bootloader存放在哪哪里?为什么?在nand的第第一个blockNAND_PartTable_XXX.c配置置文件NBL_OFFSET即是Bootloader的位置置，

4、可以以看到是是0。为什么在在这里：Nand的第一一个block永远不不会损坏坏的特性性决定了了可以很很简单的的读取这这个块。Bootloader运行在哪哪里?boot0运行在IRAM，boot1运行在SDRAM。boot0的运行地地址可以以从scatter0.scf中找到如如下：ROM_EXEC0 x400000000 x8000boot0_entry.o (Reset,+First)sdram_init.o(+RO,+RW,+ZI)prod_cfg.o (+RO,+RW,+ZI)*.o(+RO,+RW)Bootloader运行在哪哪里?boot1的运行地地址可以以从scatter1.scf中

5、找到如如下：ROM_EXEC0 x1000000 0 x14000boot1_entry.o (Reset,+First)*.o(+RO,+RW)Bootloader代码构架架是怎样样的?Bootloader分两部部分:boot0和boot1。boot0引导导boot1,boot1引引导EXEC_KERNEL_IMAGE.bin。boot0不超过16K，boot1不超过128K。boot0为什么不不超过16K？(Nand第一个block永远不会会坏，不不做坏块块管理。一个block可能是16K或者128K，为了统统一处理理，当16K来使用。)boot1为什么不不超过128K？(暂时不确确定)在

6、scatter中boot0和boot1的大小设设置为：scatter0.scf:ROM_LOAD0 x40000000 0 x4000;0 x4000-16Kscatter1.scf:ROM_LOAD0 x10000000 x14000;0 x14000-80KBootloader代码构架架是怎样样的?boot0入口地地址:0 x40000000(IRAM起始地地址)boot0主要工作作：boot0_entry.s：Remap-初初始始化SDRAM-_main-声声明bootparameter并分配配空间boot0_main.c：将boot1拷拷贝到SDRAM-set_pc到SDRAM执行行b

7、oot1。Bootloader代码构架架是怎样样的?boot1入口地址址:0 x01000000 (SDRAM)boot1主要工作作：boot1_entry.s_main-声声明bootparameter并分配配空间。boot1_main.c将EXEC_KERNEL_IMAGE.bin拷贝到到SDRAM，并set_pc到SDRAM执行行EXEC_KERNEL_IMAGE.bin。Kernel的运行地地址：由函数PUBLICvoidcall_kernel(void)set_pc(SDRAM_BASE_ADDR);可以看出出，SDRAM_BASE_ADDR为0地址，即即EXEC_KERNEL_IM

8、AGE.bin存放的起起始地址址。Boot parameter如何设定定的？boot parameter(nand分区表表等相关关信息)的设定定在fdl相关关代码中中，该部分代代码已封装。在函数BOOLEAN copyKernelImg(void)中中，可以看出，从从flash中中读取出出来bootparameter存放在在bootParam中。_copyImg(ftlHandle, SDRAM_BASE_ADDR,osInfo-offset, osInfo-size,ftlPartitionInfo.sctSize)这里可可以看到到一部分分bootparameter参参数。Bootloade

9、r代码解读读主要文件件：目录fdl_bootloaderbootloadersrcboot0_entry.sboot0_main.cboot1_entry.sboot1_main.cNandFlash简介Flash存储器又又称闪存存，是一一种可在在线多次次擦除的的非易失失性存储储器，即即掉电后后数据不不会丢失失。Flash存储器还还具有体体积小、功耗低低、抗振振性强等等优点。Flash存储器主主要分为为两种：一种为Nor型Flash，另一种种为Nand型Flash。Nand内部采采用非线性宏单元模模式，为为固态大大容量内内存的实实现提供供了廉价价有效的的解决方方案。Nand存储器器具有容容量较

10、大大，改写写速度快快等优点点，适用用于大量量数据的的存储，因而在在业界得得到了越越来越广广泛的应应用。Nandflash和Norflash比较接口比较较：Nor带有SRAM接口,有足够的的地址引引脚来寻寻址,可以很容容易地存存取其内内部的每每一个字字节。Nor的特点是是芯片内内执行(XIP,eXecuteInPlace),这样应用用程序可可以直接接在Norflash内运行,可以不把把代码读读到系统统RAM中。例如如uboot中的ro段可以直直接在Norflash上运行,只需要把把rw和zi段拷贝到到RAM中运行即即可。Nand器件使用用复杂的的I/O口来串行行地存取取数据,I/O引脚用来来传送

11、控控制、地地址和数数据信息息,由于时序序较为复复杂,所以一般般CPU集成Nand控制器。Nand读和写操操作采用用512字节的块块,这一点有有点像硬硬盘管理理此类操操作。Nand是非线性性存储器器,不支持eXecuteInPlace。Nandflash和Norflash比较容量和成成本比较较：相比起Nand来说,Nor的容量要要小,一般在1-16MByte左右,一些新工工艺采用用了芯片片叠加技技术可以以把Nor的容量做做得大一一些。在价格方方面,Nor相比Nand来说要高高一些。Nand生产过程程更为简简单,结构可以以在给定定的模具具尺寸内内提供更更高的容容量,这样也就就相应地地降低了了价格。

12、Nandflash和Norflash比较其他方面面如可靠靠性,耐用性等等方面的的比较，在这里里就不一一一详述述了。Nandflash工作原理理-组成结构构Nand的数据是是以bit的方式保保存在memorycell,一般来说说,一个cell中只能存存储一个个bit。这些cell以8个或者16个为单位位,连成bitline,形成所谓谓的byte(x8)/word(x16),这就是NandDevice的位宽(当然还有有32bit或更大的的位宽的的)。若干个Line会再组成成Page。若干个Page组成block。若干个block组成Plane。若干个Plane组成Device。Nandflash工

13、作原理理-组成结构构这里以三三星的Nand型号K9F1208为例子说说明Nand的组成结结构。Nandflash工作原理理-组成结构构对于上图图的Nand芯片K9F1208：每页528Bytes：512byte(MainArea)+16byte(Spare Area)。每32个page形成一个个Block(32*528B)。4096个block组成一片片Nand芯片K9F1208。故总容量量为4096*(32*528B)=66MB，其中的的2MB是用来保保存ECC校验码等等额外数数据的的，实际际中可使使用的为为64MB。说明：这这只是针针对芯片片K9F1208的组成结结构，不不同的芯芯片可以以

14、根据datasheet确定。Nandflash工作原理理-组成结构构对于上图图的Nand芯片K9F1208：1 Page=528Byte,其中512byte为Main Area,16byte为SpareArea。1 Block=32 Page*528Byte。1 Device= 4096(块)*32(页)*528(字节)*8(位)=528Mbit=66Mbyte总容量为为66Mbyte,其中的2Mbyte是用来保保存ECC校验码等等额外数数据的,实际中可可使用的的为64Mbyte。说明：这这只是针针对芯片片K9F1208的组成结结构，不不同的芯芯片可以以根据datasheet确定。Nandfl

15、ash工作原理理-组成结构构Page分为main和spare区。main是用来保保存数据据的,spare区一般用用来标记记坏块以以及保存存对main区数据的的ECC校验码等等。spare区大小:(每512+16)byte就有16byte作为spare区。spare区这16byte格式:不同厂家家的格式式可能有有所区别别,没有统一一的标准准格式。Nandflash工作原理理-组成结构构以下是spare区的一个个例子：LSN0 LSN1LSN2RESERVEDRESERVEDBIECC0 ECC1ECC2S-ECC0S-ECC1 RESERVEDRESERVEDRESERVEDRESERVEDRE

16、SERVED其中：LSN:LogicalSectorNumber(跟坏块管管理有关关)ECCa,ECCb,ECCc:ECCcode forMain areadata(ErrorCheckingandCorrection)S_ECCa,S_ECCb:ECCcode forLSNdataBI:BadblockInformationNandflash工作原理理-寻址刚才算的的容量是是有64Mbyte的空间,225bit64Mbyte 226bit也就是说说需要26位地址传传送,可是看Nand的原理图图发现有有IO0-IO7,它是怎么么寻址的的呢?Nandflash工作原理理-寻址看看下面面完整的的A

17、rrayOrganizationNandflash工作原理理-寻址原来Nand并不是直直接通过过里面的的存储物物理层,而是有一一个专门门的页寄寄存器来来管理的的。不论论是什么么操作都都要首先先通过pageregsiter。从上图来来看,A0A7是页内寻址址,也叫列寻寻址,也就是512寻址,不过A0A7才8位,最大也就就寻址256？实质上上还有一一位A8,A8是由Nand里面的某某个硬件件电路根根据相关关的命令令而置为为1或者0,这不用软软件来操操作。例如说要要寻址0255字节,这样的话话8位IO搞定了,这时候硬硬件电路路就会把把A8置为0；如果说说要寻址址第484字节,8位就不够够了,硬件电路

18、路就会把把A8置1,完成所谓谓的第484个字节寻寻址。484的二进制制是111100100,需要9位才行,A8此时就充充当第9位,其余8位还是由由IO完成的,这样就可可以完成成512字节内的的任何寻寻址了。Nandflash工作原理理-寻址A9A25是用来进进行页寻址的,也叫行寻寻址,4096块*32页=131072页,用A9A25就可以搞搞定这么么多页了了。基于以上上可知,A9A25是进行多多达上万万页寻址址的,其实还可可以细分分的,A9A13是块内的的32页寻址,正好5位,2的5次方=32,一块由32页组成,A14A25是用来进进行块寻址的,4096块,也足够了了。其实A14A25还可以细

19、细分,还有个叫叫“层”的概念念。Nand还被组织织成一种种形式,就是把整整个Nand分成若干干个层(plane),每层若干干块,每层里还还有个528字节的页页寄存器器。如下下图：Nandflash工作原理理-寻址K9F1208分4个层,每层1024块,所以说A14A15是用于plane寻址的,A16A25用于Block寻址。Nandflash工作原理理-指令集这里简单单介绍下下Nand的指令操操作:Nandflash工作原理理-坏块管理理为什么会会出现坏坏块？由于Nand的工艺不不能保证证Nand的MemoryArray在其生命命周期中中保持性性能的可可靠，因因此，在在Nand的生产中中及使用

20、用过程中中会产生生坏块。说明：Nand的第一个个Block经特殊工工艺处理理,默认是不不会成为为坏块的的,常用于系系统的引引导。NandFlash工作原理理-坏块管理理坏块的具具体表现现：当编程/擦除这个个块时，不能将将某些位位拉高，这会造造成Page Program和BlockErase操作时的的错误，相应地地反映到到StatusRegister的相应位位。NandFlash工作原理理-坏块管理理坏块的种种类：先天性坏坏块这种坏块块是在生生产过程程中产生生的,一般芯片片原厂都都会在出出厂时都都会将坏坏块第一一个page的spare区的第6个byte标记为非非0 xff的值。后天性坏坏块这种坏

21、块块是在Nandflash使用过程程中产生生的,如果BlockErase或者Page Program错误,就可以简简单地将将这个块块作为坏坏块来处处理,这个时候候需要把把坏块标标记起来来。为了了和先天天性坏块块信息保保持一致致,将新发现现的坏块块的第一一个page的spare区的第6个Byte标记为非非0 xff的值。NandFlash工作原理理-坏块管理理坏块的处处理：理解了先先天性坏坏块和后后天性坏坏块后,我们已明明白Nand出厂时在在spare区中已经经反映出出了坏块块信息,因此,如果在擦擦除一个个块之前前,一定要先先检查spare区的第6个byte是否是0 xff,如果是就就证明这这是

22、一个个好块,可以擦除除;如果是非非0 xff,那么就不不能擦除除。不过,这样处理理可能会会错杀伪伪坏块,因为在芯芯片操作作过程中中可能由由于电压压不稳定定等偶然然因素会会造成Nand操作的错错误。但但是,为了数据据的可靠靠性及软软件设计计的简单单化,坏块一个个也不能能放过。NandFlash工作原理理-坏块管理理错杀坏块块的补救救方法：如果在对对一个块块的某个个page进行编程程的时候候发生了了错误就就要把这这个块标标记为坏坏块,首先就要要把其他他好的page里面的内内容备份份到另外外一个空空的好块块里面,然后,把这个块块标记为为坏块。当发生生“错杀杀”之后后,可以在进进行完页页备份之之后,再

23、将这个个块擦除除一遍,如果BlockErase发生错误误,那就证明明这个块块是个真真正的坏坏块。Nandflash的ECC简介ECC的全称是是ErrorCheckingandCorrection，是一种种用于Nand的差错检检测和修修正算法法。如果果操作时时序和电电路稳定定性不存存在问题题的话，Nand Flash出错的时时候一般般不会造造成整个个Block或是Page不能读取取或是全全部出错错，而是是整个Page（例如512Bytes）中只有有一个或或几个bit出错。ECC能纠正1个比特错错误和检检测2个比特错错误，而且计计算速度度很快，但对1比特以上上的错误误无法纠纠正，对对2比特以上上的

24、错误误不保证证能检测测。Nandflash的ECC简介ECC校验算法法：ECC校验每次次对256字节的数数据进行行操作，包含列列校验和和行校验验。ECC纠错算法法:当往Nand Flash的page中写入数数据的时时候，每每256字节生成成一个ECC校验和，称之为为原ECC校验和，保存到到PAGE的OOB（out-of-band）数据区区中。当当从Nand Flash中读取数数据的时时候，每每256字节我们们生成一一个ECC校验和，称之为为新ECC校验和。将从OOB区中读出出的原ECC校验和新新ECC校验和按按位异或或，若结结果为0，则表示示不存在在错（或或是出现现了ECC无法检测测的错误误）

25、；若若3个字节异异或结果果中存在在11个比特位位为1，表示存存在一个个比特错错误，且且可纠正正；若3个字节异异或结果果中只存存在1个比特位位为1，表示OOB区出错；其他情情况均表表示出现现了无法法纠正的的错误。Nandflash常用的软软件管理理方案Nand Flash由于自身身的原因因，会有有一些限限制：1不能直接接在数据据上进行行覆盖，必须先先擦后写写。2写和擦有有寿命。某些块块可能会会用的更更频繁从从而导致致坏块。3在出厂时时会存在在坏块，在使用用过程中中也会产产生坏块块。4会在读取取数据时时产生错错误或读读取失败败。正是因为为这些限限制，Nand Flash的操作相相对比较较复杂，因此

26、需要通过过软件将将Nand Flash仿真为传传统的逻逻辑块设设备，便便于读擦写等等操作。SC6800H平台目前前支持FTL和XSR两种软件件管理方方案:在PDA_V2.0之前，平平台使用用的是XSR解决方案案，在PDA_V2.0平台使用用的是FTL解决方案案。Nandflash常用的软软件管理理方案FTL(FlashTranslationLayer)传统的嵌嵌入式系系统一般般使用FTL方方案。FTL将将NandFlash仿真为一一个块设设备使得得NandFlash与其其他常规规块存储储设备一一样。FTL是处处于文件件系统和和NandFlash设备备之间一一个中间间层。FTL从从文件系系统层收

27、收到读写写操作的的逻辑地地址。在在FTL层把这些逻辑辑地址映映射成真真正的物物理地址址，从而而正确的的进行相相应操作。由由于FTL创建建了虚拟拟块进行行映射管管理，所所以对这这些虚拟拟块会有一一些相应应的软件件算法，比如垃垃圾收集集(GarbageCollection)，坏坏块管理理(BadBlockManagement)，写写平衡算算法(Wear-Leveling)等。这这些算法法有助于于管理块块结构和和延长Nand Flash的寿命命。Nandflash常用的软软件管理理方案FTL(FlashTranslationLayer)垃圾收集集(GarbageCollection)在对数据据进行修

28、修改的时时候，因因为没有有把原来来的数据清空，这样就就会导致致部分物物理区域域中的数数据是无无效的，即垃垃圾数据据。通过过垃圾收收集技术术(GarbageCollection)，系系统把要要清零的的块中的的有效数数据先移移动到其他他区域，并且改改变逻辑辑块到物物理块的的映射关关系，然后后对整块块进行清清零操作作。一般垃圾圾收集遵遵循两个个原则：垃圾最最多(速度原则)；使用的的次数最最少(平衡原则则)。Nandflash常用的软软件管理理方案FTL(FlashTranslationLayer)写平衡算算法(Wear-Leveling Algorithm)一般的Nand Flash能保证证每个块块

29、可以擦擦写10万次。但是由由于一些些块所使使用的次次数会比比其他块块频繁，从而导致更更容易出出现坏块块。写平衡算算法(Wear-Leveling Algorithm)就就是用于保证每每个块都都能得到到比较均均衡的使使用。由由于在每每个块中都有有一个计计数器，用于记记录该块块被擦除除的次数数，所以写平平衡算法法会自动动利用这这个计数数器，并并将被擦擦除次数最少少的块用用于新的的操作中中。Nandflash常用的软软件管理理方案FTL(FlashTranslationLayer)ErrorCorrection CodeECC分分为硬件件ECC和软件件ECC。ECC使用用就是纠纠正侦测到的的数据错错

30、误，它它保证了了NandFlash的可可靠性和数据完完整性。而在Nand Flash中采取取的是“先写后清除”的措施施，如果果出现错错误，原原始的数数据还可可以使用，从而保保证了数数据的可可恢复性性。Nandflash常用的软软件管理理方案XSR(eXtendedSector Remapper)XSR是SAMSUNG推出的专专门用于于管理Nand Flash的软件解决决方案。XSR将Nand Flash看作常规规的块设设备，其功功能同传传统的FTL一样。但但XSR比FTL更加强大大。XSR处于文件件系统和和Nand Flash之间。它它提供给给操作系统统全部的的块设备备功能，使得Nand Fl

31、ash就像一个常规的的硬盘一一样，能能更方便便管理数数据。Nandflash常用的软软件管理理方案XSR(eXtendedSector Remapper)XSR共分为五五个主要要部分：1XSR核核心层(XSRCore)，其中XSR核核心层又又可分为为两个层层次：扇区转换换层STL(SectorTranslationLayer)块管理层层BML(BlockManagement Layer)2操作系统统适配模模块层OAM(OSAdaptation Module)3平台适配配模块层层PAM(PlatformAdaptation Module)4底层设备备驱动层层LLD(LowLevelDevice

32、Driver)Nandflash常用的软软件管理理方案XSR(eXtendedSector Remapper)扇区转换换层STL(SectorTranslationLayer)STL(扇区转转换层)是XSR架构构中一个个很重要要的部分分，它从从事一些主主要的管管理任务务。该层层主要同同扇区转转换相关关，将文文件系统传来来的逻辑辑扇区地地址(logical sectoraddress)转换为虚拟扇扇区地址址(virtual sectoraddress)。STL主主要包括括：地址址转换(Address Translation)，写平衡算法法(Natural WearLeveling), 大块块优化

33、管管理(LargeBlockOptimization),断断电保护护(PoweroffRecovery),允许异步步/同步步操作, 支持持多卷(Supporting MultipleVolume)等。Nandflash常用的软软件管理理方案XSR(eXtendedSector Remapper)BML(BlockManagementLayer)BML将将从STL层传传来的虚虚拟地址址转换为为具体的的物理地地址。在对NandFlash进行行读/写写/擦除除操作时时。但有有可能会会遇到错错误或者失失败，而而这些有有错误或或发生失失败的块块就叫做做坏块。BML专门用于于管理这这些坏块块，并且且还可以

34、以对一些些无效块块进行管管理.BML主主要包括括：分区区信息管管理(PartitionInformationManagement),交错访访问NandFlash设备备(NANDDeviceInterleaving),坏块块管理(Bad Block Management),软件件ECC(SoftwareECC),多多卷管理理(Multiple VolumeManagement)等。Nandflash常用的软软件管理理方案XSR(eXtendedSector Remapper)LLD(Low Level DeviceDriver)LLD(底层设设备驱动动层)是是所有XSR的的结构层层中真正正同物理

35、层层接触的的，即真真正能够够访问物物理设备备的层次次。通过前面面STL和BML的转转换，LLD使使用上面面传来的的真正的物理地地址，找找到需要要的NandFlash空间间，对它它进行所需的各各种操作作。Nandflash常用的软软件管理理方案XSR(eXtendedSector Remapper)OAM(OSAdaptationModule)OAM(操作系系统适配配模块层层)用于于接收操操作系统统提供的服务务，并将将它们作作用到XSR架架构中。OAM是一个个相对独立的的层次，当操作作系统改改变后，用户只只需要改改变OAM的的配置即即可。OAM会会提供一一些中断断，时序序，异步步/同步标志志等功

36、能能函数。Nandflash常用的软软件管理理方案XSR(eXtendedSector Remapper)PAM(PlatformAdaptationModule)PAM(平台适适配模块块层)用用于将XSR同同具体的的平台联联系在一起起，用于于获取平平台的相相关信息息或者功功能。PAM同样也是是独立的的层次，平台改改变后，用户只只需改变变PAM相相关配置置即可。这里所所指的平平台是由由CPU，SDRAM，NandFlash等组组成的系系统。6800H平台NandInterface简介支持8/16bit宽度。支持Nand的容量不不大于2Gbyte，支持34地址序列列，若是是每页大大小为2kbyte，支持45地址序列列。若是每页页大小为为512byte，硬件上上支持4页连续读读写。支持硬件件ECC校验，但但须由软软件来纠纠错。支持SmallPage(512byte)和LargePage(2K byte)。6800H平台Nandflash驱动配置置6800H平台推荐荐的memory方案是Nand+SDRAM(目前Nor+pSram方案还没没有做好好)。其中完完成一款款新的Nand驱动一般般是配置置一张表表,即NandSpec.c中的astNandSpec 表,对