TQ2440开发板学习纪实--- 从NAND Flash读取数据，把代码搬运到SDRAM运行

Posted 2022-12-01 smstong

因为依赖于S3C2440的开机自动从Nandflash复制数据到片内SRAM执行，目前我们的可执行程序体积仍然不能大于4KB的限制。而我们的程序目前已经非常接近这个限制大小了，为了能够继续开发，必须突破这个限制。为此需要实现代码搬运功能，把程序从Nandflash搬运到SDRAM中去，并跳转到SDRAM执行。

本文为啥不实现NandFlash写？ 因为对于我们的实现目前尚未需求。更重要的是，写操作涉及到擦除，更涉及到NandFlash寿命。为了减少写次数，延长NandFlash寿命，一般会在软件层实现写缓存。这就涉及到大量的代码，会偏离我们实验的主题--代码搬运。等以后确实需要保存数据到NandFlash时，再实现写功能不迟。

1 NAND Flash基础知识

1.1 TQ2440板载Nandflash芯片基本情况

NAND Flash作为一种存储芯片，其读写操作需要特定的时序和规范。实际上也存在相关的工业标准，用来标准化Nandflash的读写等操作。
与RAM和ROM不同，NAND Flash的传送数据、地址、命令时共用同一组针脚，通过不同的时序加以区分。下图是TQ2440开发板上搭载的Nandflash接口图：

其接口非常简单，其中

• IO0-IO7，8个针脚用于传送数据、地址、命令。
• WP，写保护，直接接地。
• WE，写使能
• RE，读使能
• CE，片选
• ALE，地址锁存
• RDY/B，忙闲状态
• CLE，命令锁存
• VSS，接地
• VCC，电源

1.2 Nand flash基本术语

• 页（Page），NandFlash以页为单位进行读写，常见的页大小为512B，1KB，2KB等。
• 块(BLOCK)，NandFlash在写入数据之前必须先擦除（写入1），而擦除的最小单元就是块，常见的块大小为64页。
• 擦除。NandFlash写入之前必须先擦除，也就是全部写入1。因为写的时候只能写0，不能写1。
• 数据带宽，也就是每次传送数据的位数（I/O针脚数），常见的有8，16。
• 地址周期，传送一个完整的地址，需要发送几次数据。

1.3 S3C2440片内NandFlash控制器

（1）硬件读取
S3C2440片内集成了NandFlash控制器，启动时，通过外部针脚的电平高低的硬件配置来获得页大小，数据宽度，地址周期等要素，从而可以在启动时能够完成读取Nandflash到SRAM。
（2）软件读取
S3C2440的片内NandFlash控制器同样对用户开放，允许用于以软件操纵它来读写NandFlash。

2 利用S3C2440片内NandFlash控制器读取NandFlash数据

2.1 相关寄存器

• NFCONF 配置寄存器, 用于设置NandFlash时序
• NFCONT 控制寄存器，用于控制片选等信号
• GPACON 引脚复用，GPIO和NandFlash控制信号切换
• NFCMD 命令寄存器，把命令写入时，自动发送
• NFADDR 地址寄存器，把地址写入时，自动发送
• NFDATA 数据寄存器，把数据写入时，自动发送。读取时，自动更新。

• NFSTAT 状态寄存器，探测NANDFLASH是否忙

• 其他ECC相关寄存器，用于错误校验，暂时可以不用。
  具体如何设置，请参考S3C2440的数据手册和Nandflash的数据手册。

2.2 初始化

void nand_init()

    rGPACON |= (0x3F << 17); /* GPIO */
    rNFCONF &= ~(3<<12 | 7<<8 | 7<<4); /* clock */
    rNFCONF |= (1<<12 | 4<<8 | 0<<4);

    rNFCONT |= 1;            /* enable NF controller */
    rNFCONT &= ~(1<<1);      /* Chip select */
    rNFCONT &= ~(1<<12);     /* disable soft lock */

    rNFSTAT |= 1<<2;         /* clear BUSY */
    nand_send_cmd(CMD_RESET);
    nand_wait();

2.3 页内任意读

NandFlash一般读取的最小单位为页。也有的NandFlash支持单字节读取，但是并不常用。我们可以通过先读一页，然后选择性的保存数据即可实现页内任意大小读取。

/* read [start,start+count) in a page */
int nand_read_page(unsigned char* buf, int iPage, int start, int count)

    nand_chip_enable();
    nand_send_cmd(CMD_PAGE_READ);
    nand_send_addr(0x00);
    nand_send_addr(0x00);
    nand_send_addr(iPage & 0xFF);
    nand_send_addr( (iPage >> 8) & 0xFF);
    nand_send_addr( (iPage >> 16) & 0x1);
    nand_send_cmd(CMD_PAGE_READ_CONFIRM);
    nand_wait();
    unsigned char * p = buf;

    int i;
    unsigned char c;
    for (i=0; i<2048; i++) 
        if ( i<start || i>=start+count ) 
            c = rNFDATA8;
        else 
            *p++ = rNFDATA8;
        
    
    nand_chip_disable();
    return count;

2.4 全范围任意读

基于页内任意读，我们进而可以实现全范围任意读。原理如下：
任何读操作涉及的范围无非有两种情况：
（1）所需数据正好全部属于同一个页。此时执行页内任意读即可。
（2）所需数据跨两个或多个页。此时对于每一页按顺序分别执行任意读即可。只是第一页和最后一页可能可能只需读部分数据，中间的页则是全页读取。
实现代码如下：

/* read size bytes starting from  addr */
int nand_read(unsigned char* buf, unsigned int addr, int size)

    int startPage = addr / 2048;
    int endPage = (addr+size-1) / 2048;
    int startByte = addr % 2048;
    /* if the range is in only one page */
    if (startPage == endPage) 
        return nand_read_page(buf, startPage, startByte, size);
    

    /* if the range is across 2 or more pages */
    int n = nand_read_page(buf, startPage, startByte, 2048-startByte); /* the first page */
    int page = startPage+1;
    while (page < endPage)                                            /* middle page(s) */
        n += nand_read_page(buf+n, page, 0, 2048);
        page ++;
    
    n += nand_read_page(buf+n, endPage, 0, (size-n));                   /* last page */
    return n;

3 代码搬运

3.1 需求分析

（1）程序的前4KB，要完成的基本功能：CPU时钟初始化，SDRAM初始化，NandFlash初始化，UART0初始化。然后把NandFlash中的程序整体复制到SDRAM中，最后使能中断，跳转到Main函数执行。
（2）由于尚未启动MMU，所以异常向量入口位于绝对物理地址0开始处，也就是SRAM中。
（3）4KB之后的程序完成其他硬件初始化。

3.2 关键技术

3.2.1 位置无关代码

程序的前4KB首先是被硬件自动复制到SRAM中执行，然后是被自己搬运到SDRAM中运行，这就需要这部分代是地址无关代码。具体来说：

• 程序跳转需要使用相对跳转指令，如B，BL，它们都是相对于当前PC的值，增减适当偏移量来完成跳转。
• C语言会自动根据跳转范围优先选用相对跳转指令，我们的程序跳转范围小于32MB，所以C编译器会自动生成位置无关代码。

3.2.2 绝对地址跳转

这个正好与相对地址跳转相反，绝对地址跳转指令如 BX，或者给PC直接赋值的指令如 mov pc, Rn， add pc, rn, rm等等。它们都是直接给PC强制赋值，从而时间4GB范围的跳转。

SRAM地址空间为[0x00000000, 0x00001000），而SDRAM的地址范围是[0x30000000，0x34000000)，显然两者最小距离也远远超过了相对跳转的范围。

目前需要绝对地址跳转的地方有：

• 向Main（）函数跳转
• 向异常处理程序跳转

3.2.3 链接过程的控制

搬运代码的功能需要位于可执行程序的前4KB，这可以通过链接脚本来控制。我们的链接脚本如下。

ENTRY(ResetEntry)
SECTIONS 
    . = 0x30000000;
    .text ALIGN(4): 
        init.o(.*)
        boot.o(.*)
        uart.o(.*)
        nand.o(.*)
        *(.text)
    
    .data ALIGN(4): 
        *(.data)
        *(.rodata)
    
    .bss ALIGN(4): 
        *(.bss)
    

其中需要在SRAM中运行的文件是: init.s，boot.c，以及uart.c。

3.3 源码导读

基本的流程是：
（1）init.s 完成CPU时钟初始化，SDRAM初始化，各模式堆栈初始化，以及异常向量表的建立。
（2）然后调用boot.c里的boot（）函数，此函数调用uart.c的函数完成串口初始化，调用nand.c里的函数完成代码搬运。
（3）跳转到main.c的Main（）函数。

4 完整源码

完整源码下载，V0.9。