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上構建嵌入式Linux操作系統的一般方法。結合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過程，提供基于大頁面NAND Flash作為唯一外部存儲設備的穩定、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的優點。它集成了一個高性能的DSP核心與一個ARM9內核，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核為基礎構建嵌入式操作系統，但是目前經常采用一片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構下，闡述構建穩定可靠的系統需要解決的問題。
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的數據總線寬度，具有可編程的建立、選通以及保持時間，還具備NAND Flash ECC校驗數據生成功能等[5]，因此可以方便靈活地與外部NAND Flash芯片通信。在本文的硬件系統中，即采用TMS320DM6446的EMIF的CS2空間與Samsung K9K8G08U0A NAND Flash相連。
    由于本系統只有一片NAND Flash作為外部的存儲設備，因此所有的引導程序、操作系統內核以及根文件系統均需要存儲在這上面，系統也就需要從NAND Flash啟動。TMS320DM6446具有多種啟動方式，具體由哪種方式啟動，由系統復位時引腳BTSEL[1：0]電平決定，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內部的ROM BOOT LOADER(簡稱RBL)開始運行，RBL再根據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的內部RAM中，因此對于UBL的大小限制在14 KB以內，但是在嵌入式環境常用的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的初始化，然后將二級引導程序（在本系統中采用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負責操作系統的引導[4]。于是整個NAND Flash上系統構建的關鍵問題包括如何移植UBL，以使其能夠正常初始化系統，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中硬件板的結構修改系統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。
    本系統使用兩片K4T1G164QQ-HCE6 DDR2 SDRAM作為系統內存，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數據建立時間，取值5 ns，tH數據保持時間取0，EMFI時鐘為系統6分頻，所以tcyc=1/(27×(21+1)/6)≈10 ns，根據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通過數據結構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_類型的數組gNandDevInfo[]來記錄所有支持的NAND Flash。UBL在從NAND Flash讀取數據之前，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組gNandDevInfo[]中即可。本系統中用到的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數據存儲區域以及64 B的Spare區域，在數組gNandDevInfo[]中添加{0xD3，8192，64，2048+64}即可。
3 U-BOOT移植
    本系統中使用的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別在于地址構成不同，本系統中用到的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，本系統采用8 bit的地址數據寬度連接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、讀數據、根據讀出的數據生成ECC校驗數據、生成的ECC數據與讀出的ECC數據比對以確定數據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、送出數據(包括ECC校驗數據)、寫0x10命令、讀取狀態直到busy信號無效、檢查是否出現寫錯誤。
    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、讀取狀態直到busy信號無效、檢查是否出現擦除錯誤。
3.2 YAFFS2文件系統燒寫
    YAFFS2鏡像燒寫與U-BOOT下普通寫NAND Flash區別在于spare區域的數據不需要程序根據數據存儲區的數據生成，spare區域的數據在制作YAFFS2鏡像時，已經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/頁數據以及數據后緊跟的64 B的spare區域數據，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區域的第一個數據是否為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，系統處于裸機狀態，無法正常引導操作系統，燒寫程序的作用是在裸機狀態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。
    前面已經提到，本系統采用的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環境變量；第9～40塊存儲Linux操作系統內核；第41～8 191塊存儲YAFFS2文件系統。
    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，以確保系統穩定可靠地從NAND Flash上啟動。
    燒寫程序是系統在沒有任何程序的裸機情況下執行的，燒寫程序需要通過仿真器加載到系統目標板的DDR2中運行。由于加載程序時系統未執行任何程序，也就沒有做任何初始化，DDR2也處于不可用狀態，系統將無法加載程序。TI的CCS集成環境提供了GEL文件來解決這一問題，在仿真器連接目標板時會自動執行GEL文件中的OnTargetConnect（）函數，在該函數中，需要對系統做初始化。
    燒寫程序在被加載到內存后，即可被執行來完成UBL以及U-BOOT的燒寫，程序執行過程如圖2所示。

    數據寫入時需要注意UBL是由TMS320DM6446內部的ROM BOOT LOADER讀入到內部RAM中然后執行的，因此，燒寫程序對于ECC校驗數據的生成以及ECC數據在spare區域的存儲位置必須要與ROM BOOT LOADER讀取數據時的校驗方式一致。ROM BOOT LOADER采用EMIF的硬件ECC校驗，每512 B的數據產生4 B的校驗數據，并按照如下方式存儲：spare區域地址從0x00到0x3F，其中0x08-0x0B存儲第1個512 B數據的第3-0位ECC數據，0x18-0x1B存儲第2個512 B數據的第3-0位ECC數據，0x28-0x2B存儲第3個512 B數據的第3-0位ECC數據，0x38-0x3B存儲第4個512 B數據的第3-0位ECC數據。因此，在燒寫程序中也使用EMIF硬件ECC校驗來生成校驗數據，在每次寫入數據達到512 B時，通過讀寄存器NANDF1ECC（地址為0x0200 0070）來獲得ECC值，最后在一頁數據寫入完畢后寫入到spare區域的對應位置。
    在UBL以及U_BOOT成功燒寫到NAND Flash后，系統上電，U_BOOT成功執行，通過U_BOOT將Linux操作系統內核以及YAFFS2文件系統鏡像燒寫到NAND Flash，設置U_BOOT環境變量，再次引導系統，Linux系統正常啟動。本系統中成功實現了從裸機到整個系統的構建，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，系統在實際使用中運行穩定可靠。
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.
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[5] Samsung Corporation. K9XXG08UXA Flash Memory[S],2006.