SCH平台Booloader和Nandflash学习交流

SC6800H平台Bootloader和Nandflash学习交流Author：车国盛Date：2012.04.11内容提纲1.Bootloader简介2.为什么需要Bootloader？3.Bootloader存放在哪里?为什么?4.Bootloader运行在哪里?5.Bootloader代码构架是怎样的?6.Bootparameter如何设定的？7.Bootloader代码解读8.Nandflash简介9.Nandflash和Norflash比较10.Nandflash工作原理11.Nandflash的ECC简介12.Nandflash常用的软件管理方案13.6800H平台NandInterface简介14.6800H平台Nandflash驱动配置15.6800H平台Nandflash分区Bootloader简介Bootloader就是一段小程序,它在系统上电时开始执行,初始化硬件设备、准备好软件环境,最后调用系统内核。典型的嵌入式系统Bootloader有Blob(bootloadobject)和U-boot(universalbootloader),其中U-boot支持ARM,MIPS,X86,Nios,可启动VxWorks,QNX,Linux什么是Bootloader？为什么需要BootloaderNand与Nor的区别

Nand不能runinplace,Nand不支持即时的读写操作,需要将代码拷贝到RAM执行;Nand会有坏块,需要一个坏块管理模块,这个模块相对来说还是比较复杂的。Nand的坏块特性决定了从Nand拷贝代码到RAM是一个相对比较复杂的动作。SDRAMSDRAM需要初始化,这意味着最早的一些代码不能在SDRAM中执行,需要先在IRAM中运行;IRAM很小。

Bootloader存放在哪里?为什么?在nand的第一个block

NAND_PartTable_XXX.c配置文件NBL_OFFSET即是Bootloader的位置，可以看到是0。为什么在这里：

Nand的第一个block永远不会损坏的特性决定了可以很简单的读取这个块。

Bootloader运行在哪里?boot0运行在IRAM，boot1运行在SDRAM。boot0的运行地址可以从scatter0.scf中找到如下：ROM_EXEC0x400000000x8000{

boot0_entry.o(Reset,+First)sdram_init.o(+RO,+RW,+ZI)prod_cfg.o(+RO,+RW,+ZI)*.o(+RO,+RW)}

Bootloader运行在哪里?boot1的运行地址可以从scatter1.scf中找到如下：ROM_EXEC0x10000000x14000{

boot1_entry.o(Reset,+First)*.o(+RO,+RW)}

Bootloader代码构架是怎样的?Bootloader分两部分:boot0和boot1。boot0引导boot1,boot1引导EXEC_KERNEL_IMAGE.bin。boot0不超过16K，boot1不超过128K。boot0为什么不超过16K？(Nand第一个block永远不会坏，不做坏块管理。一个block可能是16K或者128K，为了统一处理，当16K来使用。)boot1为什么不超过128K？(暂时不确定)在scatter中boot0和boot1的大小设置为：scatter0.scf:ROM_LOAD0x400000000x4000;0x4000->16Kscatter1.scf:ROM_LOAD0x10000000x14000;0x14000->80K

Bootloader代码构架是怎样的?boot0入口地址:0x40000000(IRAM起始地址)boot0主要工作：boot0_entry.s

：

Remap->初始化SDRAM->__main->声明bootparameter并分配空间boot0_main.c

：

将boot1拷贝到SDRAM->set_pc到SDRAM执行boot1。

Bootloader代码构架是怎样的?boot1入口地址:0x01000000(SDRAM)boot1主要工作：boot1_entry.s

__main->声明bootparameter并分配空间。boot1_main.c

将EXEC_KERNEL_IMAGE.bin拷贝到SDRAM，并set_pc到SDRAM执行EXEC_KERNEL_IMAGE.bin。Kernel的运行地址：由函数PUBLICvoidcall_kernel(void){set_pc(SDRAM_BASE_ADDR);}可以看出，SDRAM_BASE_ADDR为0地址，即EXEC_KERNEL_IMAGE.bin存放的起始地址。Bootparameter如何何设设定定的的？？bootparameter(nand分分区区表表等等相相关关信信息息)的的设设定定在在fdl相相关关代代码码中中，，该部部分分代代码码已封封装装。。在函函数数BOOLEANcopyKernelImg(void)中中，，可可以看出出，，从从flash中中读读取取出出来来bootparameter存存放放在在bootParam中中。。_copyImg(ftlHandle,SDRAM_BASE_ADDR,osInfo->offset,osInfo->size,ftlPartitionInfo.sctSize)这这里里可可以以看看到到一一部部分分bootparameter参参数数。。Bootloader代码码解解读读主要要文文件件：：目录录fdl_bootloader\bootloader\srcboot0_entry.sboot0_main.cboot1_entry.sboot1_main.cNandFlash简介介Flash存储储器器又又称称闪闪存存，，是是一一种种可可在在线线多多次次擦擦除除的的非非易易失失性性存存储储器器，，即即掉掉电电后后数数据据不不会会丢丢失失。。Flash存储储器器还还具具有有体体积积小小、、功功耗耗低低、、抗抗振振性性强强等等优优点点。。Flash存储储器器主主要要分分为为两两种种：一种种为为Nor型Flash，另另一一种种为为Nand型Flash。Nand内内部部采采用用非线线性性宏单单元元模模式式，，为为固固态态大大容容量量内内存存的的实实现现提提供供了了廉廉价价有有效效的的解解决决方方案案。。Nand存存储储器器具具有有容容量量较较大大，，改改写写速速度度快快等等优优点点，，适适用用于于大大量量数数据据的的存存储储，，因因而而在在业业界界得得到到了了越越来来越越广广泛泛的的应应用用。。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。。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(SpareArea)。每32个page形成一个个Block(32*528B)。4096个block组成一片片Nand芯片K9F1208。故总容容量为为4096*(32*528B)=66MB，其中中的2MB是用来来保存存ECC校验码码等额额外数数据的的，，实际际中可可使用用的为为64MB。说明：：这只只是针针对芯芯片K9F1208的组成成结构构，不不同的的芯片片可以以根据据datasheet确定。。Nandflash工作原原理-组成结结构对于上上图的的Nand芯片K9F1208：1Page=528Byte,其中512byte为MainArea,16byte为SpareArea。1Block=32Page*528Byte。1Device=4096(块)*32(页)*528(字节)*8(位)=528Mbit=66Mbyte总容量量为66Mbyte,其中的的2Mbyte是用来来保存存ECC校验码码等额额外数数据的的,实际中中可使使用的的为64Mbyte。说明：：这只只是针针对芯芯片K9F1208的组成成结构构，不不同的的芯片片可以以根据据datasheet确定。。Nandflash工作原原理-组成结结构Page分为main和spare区。main是用来来保存存数据据的,spare区一般般用来来标记记坏块块以及及保存存对main区数据据的ECC校验码码等。。spare区大小小:(每512+16)byte就有16byte作为spare区。spare区这16byte格式:不同厂厂家的的格式式可能能有所所区别别,没有统统一的的标准准格式式。Nandflash工作原原理-组成结结构以下是是spare区的一一个例例子：：LSN0LSN1LSN2RESERVEDRESERVEDBIECC0ECC1ECC2S-ECC0S-ECC1RESERVEDRESERVEDRESERVEDRESERVEDRESERVED其中：：LSN:LogicalSectorNumber(跟坏块块管理理有关关)ECCa,ECCb,ECCc:ECCcodeforMainareadata(ErrorCheckingandCorrection)S_ECCa,S_ECCb:ECCcodeforLSNdataBI:BadblockInformationNandflash工作原原理-寻址刚才算算的容容量是是有64Mbyte的空间间,225bit<64Mbyte<226bit也就是是说需需要26位地址址传送送,可是看看Nand的原理理图发发现有有IO0-IO7,它是怎怎么寻寻址的的呢?Nandflash工作原原理-寻址看看下下面完完整的的ArrayOrganizationNandflash工作原原理-寻址原来Nand并不是是直接接通过过里面面的存存储物物理层层,而是有有一个个专门门的页页寄存存器来来管理理的。。不论论是什什么操操作都都要首首先通通过pageregsiter。从上图图来看看,A0－A7是页内寻寻址,也叫列列寻址址,也就是是512寻址,不过A0－A7才8位,最大也也就寻寻址256？实质质上还还有一一位A8,A8是由Nand里面的的某个个硬件件电路路根据据相关关的命命令而而置为为1或者0,这不用用软件件来操操作。。例如说说要寻寻址0~255字节,这样的的话8位IO搞定了了,这时候候硬件件电路路就会会把A8置为0；如果果说要要寻址址第484字节,8位就不够了了,硬件电路就就会把A8置1,完成所谓的的第484个字节寻址址。484的二进制是是111100100,需要9位才行,A8此时就充当当第9位,其余8位还是由IO完成的,这样就可以以完成512字节内的任任何寻址了了。Nandflash工作原理-寻址A9~A25是用来进行行页寻址的,也叫行寻址址,4096块*32页=131072页,用A9~A25就可以搞定定这么多页页了。基于以上可可知,A9~A25是进行多达达上万页寻寻址的,其实还可以以细分的,A9~A13是块内的32页寻址,正好5位,2的5次方=32,一块由32页组成,A14~A25是用来进行行块寻址的,4096块,也足够了。。其实A14~A25还可以细分分,还有个叫““层”的概概念。Nand还被组织成成一种形式式,就是把整个个Nand分成若干个个层(plane),每层若干块块,每层里还有有个528字节的页寄寄存器。如如下图：Nandflash工作原理-寻址K9F1208分4个层,每层1024块,所以说A14~A15是用于plane寻址的,A16~A25用于Block寻址。Nandflash工作原理-指令集这里简单介介绍下Nand的指令操作作:Nandflash工作原理-坏块管理为什么会出出现坏块？？由于Nand的工艺不能能保证Nand的MemoryArray在其生命周周期中保持持性能的可可靠，因此此，在Nand的生产中及及使用过程程中会产生生坏块。说明：Nand的第一个Block经特殊工艺艺处理,默认是不会会成为坏块块的,常用于系统统的引导。。NandFlash工作原理-坏块管理坏块的具体体表现：当编程/擦除这个块块时，不能能将某些位位拉高，这这会造成PageProgram和BlockErase操作时的错错误，相应应地反映到到StatusRegister的相应位。。NandFlash工作原理-坏块管理坏块的种类类：先天性坏块块这种坏块是是在生产过过程中产生生的,一般芯片原原厂都会在在出厂时都都会将坏块块第一个page的spare区的第6个byte标记为非0xff的值。后天性坏块块这种坏块是是在Nandflash使用过程中中产生的,如果BlockErase或者PageProgram错误,就可以简单单地将这个个块作为坏坏块来处理理,这个时候需需要把坏块块标记起来来。为了和和先天性坏坏块信息保保持一致,将新发现的的坏块的第第一个page的spare区的第6个Byte标记为非0xff的值。NandFlash工作原理-坏块管理坏块的处理理：理解了先天天性坏块和和后天性坏坏块后,我们已明白白Nand出厂时在spare区中已经反反映出了坏坏块信息,因此,如果在擦除除一个块之之前,一定要先检检查spare区的第6个byte是否是0xff,如果是就证证明这是一一个好块,可以擦除;如果是非0xff,那么就不能能擦除。不过,这样处理可可能会错杀杀伪坏块,因为在芯片片操作过程程中可能由由于电压不不稳定等偶偶然因素会会造成Nand操作的错误误。但是,为了数据的的可靠性及及软件设计计的简单化化,坏块一个也也不能放过过。NandFlash工作原理-坏块管理错杀坏块的的补救方法法：如果在对一一个块的某某个page进行编程的的时候发生生了错误就就要把这个个块标记为为坏块,首先就要把把其他好的的page里面的内容容备份到另另外一个空空的好块里里面,然后,把这个块标标记为坏块块。当发生生“错杀””之后,可以在进行行完页备份份之后,再将这个块块擦除一遍遍,如果BlockErase发生错误,那就证明这这个块是个个真正的坏坏块。Nandflash的ECC简介ECC的全全称是ErrorCheckingandCorrection，，是一种用用于Nand的差错错检测和修修正算法。。如果操作作时序和电电路稳定性性不存在问问题的话，，NandFlash出错错的时候一一般不会造造成整个Block或是Page不能能读取或是是全部出错错，而是整整个Page（例如如512Bytes）中只有有一个或几几个bit出错。ECC能纠纠正1个比比特错误和和检测2个个比特错误误，而且计算算速度很快快，但对1比特以上上的错误无无法纠正，，对2比特特以上的错错误不保证证能检测。。Nandflash的ECC简介ECC校验验算法：ECC校验验每次对256字节节的数据进进行操作，，包含列校校验和行校校验。ECC纠错错算法:当往NandFlash的的page中写入数数据的时候候，每256字节生生成一个ECC校验验和，称之之为原ECC校验和和，保存到到PAGE的OOB（out-of-band）数据区区中。当从从NandFlash中读读取数据的的时候，每每256字字节我们生生成一个ECC校验验和，称之之为新ECC校验和和。将从OOB区中中读出的原原ECC校校验和新ECC校验验和按位异异或，若结结果为0，，则表示不不存在错（（或是出现现了ECC无法检检测的错误误）；若3个字节异异或结果中中存在11个比特位位为1，表表示存在一一个比特错错误，且可可纠正；若若3个字节节异或结果果中只存在在1个比特特位为1，，表示OOB区出错错；其他情情况均表示示出现了无无法纠正的的错误。Nandflash常用的软件件管理方案案NandFlash由于自自身的原因因，会有一一些限制：：1不能直直接在数据据上进行覆覆盖，必须须先擦后写写。2写和擦擦有寿命。。某些块可可能会用的的更频繁从从而导致坏坏块。3在出厂厂时会存在在坏块，在在使用过程程中也会产产生坏块。。4会在读读取数据时时产生错误误或读取失失败。正是因为这这些限制，，NandFlash的操操作相对比比较复杂，，因此需要通过软软件将NandFlash仿真为传传统的逻辑辑块设备，，便于读擦写等操操作。SC6800H平台台目前支持持FTL和和XSR两两种软件管管理方案:在PDA_V2.0之前，平平台使用的的是XSR解决方案案，在PDA_V2.0平台台使用的是是FTL解解决方案。。Nandflash常用的软件件管理方案案FTL(FlashTranslationLayer)传统的嵌入入式系统一一般使用FTL方案案。FTL将NandFlash仿真为一个个块设备使使得NandFlash与与其他常规规块存储设设备一样。FTL是处于文文件系统和和NandFlash设备备之间一个个中间层。FTL从文文件系统层层收到读写写操作的逻逻辑地址。。在FTL层把这些逻辑地地址映射成成真正的物物理地址，，从而正确确的进行相相应操作。由于于FTL创创建了虚拟拟块进行映映射管理，，所以对这这些虚拟块会有一些些相应的软软件算法，，比如垃圾圾收集(GarbageCollection)，坏坏块管理(BadBlockManagement)，写平平衡算法(Wear-Leveling)等等。这些算算法有助于于管理块结结构和延长长NandFlash的寿命命。Nandflash常用的软件件管理方案案FTL(FlashTranslationLayer)垃圾收集(GarbageCollection)在对数据进进行修改的的时候，因因为没有把把原来的数数据清空，这这样就会导导致部分物物理区域中中的数据是是无效的，即垃圾圾数据。通通过垃圾收收集技术(GarbageCollection)，系系统把要清清零的块中中的有效数数据先移动到其他区区域，并且且改变逻辑辑块到物理理块的映射射关系，然后对对整块进行行清零操作作。一般垃圾收收集遵循两两个原则：：垃圾最多多(速度原则)；使用的次次数最少(平衡原则)。Nandflash常用的软件件管理方案案FTL(FlashTranslationLayer)写平衡算法法(Wear-LevelingAlgorithm)一般的NandFlash能保证每每个块可以以擦写10万次。但是由于于一些块所所使用的次次数会比其其他块频繁繁，从而导致更容容易出现坏坏块。写平衡算法法(Wear-LevelingAlgorithm)就是用用于保证每个个块都能得得到比较均均衡的使用用。由于在在每个块中都有一一个计数器器，用于记记录该块被被擦除的次次数，所以写平衡衡算法会自自动利用这这个计数器器，并将被被擦除次数最少的的块用于新新的操作中中。Nandflash常用的软软件管理理方案FTL(FlashTranslationLayer)ErrorCorrectionCodeECC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误，它它保证了了NandFlash的可可靠性和数据完完整性。。而在NandFlash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(eXtendedSectorRemapper)XSR是是SAMSUNG推出出的专门门用于管管理NandFlash的的软件解决决方案。。XSR将NandFlash看看作常规规的块设设备，其功功能同传传统的FTL一一样。但但XSR比FTL更加加强大。XSR处处于文件件系统和和NandFlash之间间。它提提供给操作系统统全部的的块设备备功能，，使得NandFlash就像一一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(eXtendedSectorRemapper)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(BlockManagementLayer)2操作系统统适配模模块层OAM(OSAdaptationModule)3平台适配配模块层层PAM(PlatformAdaptationModule)4底层设备备驱动层层LLD(LowLevelDeviceDriver)Nandflash常用的软软件管理理方案XSR(eXtendedSectorRemapper)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(logicalsectoraddress)转换为虚拟扇扇区地址址(virtualsectoraddress)。STL主主要包括括：地址址转换(AddressTranslation)，写平衡算法法(NaturalWearLeveling),大块块优化管管理(LargeBlockOptimization),断断电保护护(PoweroffRecovery),允许异步步/同步步操作,支持持多卷(SupportingMultipleVolume)等。Nandflash常用的软软件管理理方案XSR(eXtendedSectorRemapper)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(BadBlockManagement),软件件ECC(SoftwareECC),多多卷管理理(MultipleVolumeManagement)等。。Nandflash常用的软软件管理理方案XSR(eXtendedSectorRemapper)LLD(LowLevelDeviceDriver)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(eXtendedSectorRemapper)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/同步标志志等功能能函数。。Nandflash常用的软软件管理理方案XSR(eXtendedSectorRemapper)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3～4地址序列列，若是是每页大大小为2kbyte，支持4～5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(2Kbyte)。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驱动一一般是是配置置一张张表,即NandSpec.c中的astNandSpec[]表,对应