开发板——X210开发板的SD卡启动方式

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参考博客：

S5PV210 SD卡启动 - 简书

关于存储器的相关基础知识，见博文：

外存——SD卡/iNand芯片与S5PV210的SD/MMC/iNand控制器-CSDN博客

RAM、ROM和FLASH三大类常见存储器简介

一、SteppingStone技术简介

1、SoC为何支持SD卡启动？

首先，SoC支持的启动方式越多，将来使用时就越方便，用户的可选择性就越大，SoC的适用面就越广。

其次，SD卡也有一些好处：（1）比如可以在不借用专用烧录工具（比如Jlink）的情况下对SD卡进行刷机，然后刷机后的SD卡插入卡槽，SoC即可启动。（2）比如可以用SD卡启动进行量产刷机。像X210这个开发板，刚开始时内部的iNand是空的，无法直接启动。官方刷机时，把事先准备好的SD卡插入SD卡卡槽，然后打到SD卡方式启动。因为此时iNand是空的所以第一启动失败，转而第二启动，也就是从外部SD2通道的SD卡启动了。启动后再执行刷机操作，对iNand进行刷机，这时iNand中已经有image了，所以可以直接启动了。刷机完成后将SD卡拔掉，烧机48小时无死机即可装箱待发货。

2、SD卡启动的难点在哪里？

SRAM、DDR都是总线式访问的，CPU可以直接和SRAM、DRAM打交道。

NorFlash也可以总线式访问，所以Norflash启动非常简单，可以直接启动。

SD卡需要时序访问，CPU不能直接和SD卡打交道，这是SD卡启动的难点所在。

3、SteppingStone技术简介

以前只有Norflash可以作为启动介质，比如台式机笔记本的BIOS就是Norflash做的。

后来三星在2440中使用了SteppingStone的技术，让Nandflash也可以作为启动介质。

SteppingStone 技术，翻译为启动基石技术，就是在 SoC 内部内置 4KB 的 SRAM，然后开机时 SoC 根据 OMpin 判断用户设置的启动方式，如果是 NandFlash 启动，则 SoC 的启动部分的硬件直接从外部 NandFlash 中读取开头的 4KB 到内部 SRAM 作为启动内容。

启动基石技术进一步发展，在6410芯片中得到完善，在210芯片时已经完全成熟。210 中有 96KB 的 SRAM，并且有一段 iROM 代码作为 BL0，BL0 再去启动 BL1。210中的BL0做的事情在2440中也有，只不过2440是硬件自动完成的，而且体系没有210中这么详细。

简单地理解，对于210而言，SteppingStone 技术就是“ 96KB的内部SRAM + 写死在64KB iROM 中的代码”。

4、iROM 如何读取 SD卡的数据？

我们知道，210启动流程是这样的：210上电时，首先执行内部的iROM（也就是BL0），BL0 会根据 OMpin 来判断从哪个设备启动，如果启动设备是SD卡，则 BL0 会从SD卡读取前16KB（也就是BL1）到SRAM中去启动执行。这个过程就是SteppingStone 技术的体现。

而BL1代码是怎样的以及之后的事情，就是编程人员的事情了，SoC不用去操心。

那 iROM 内部到底是如何读取SD卡（或者说NandFlash）的呢？

在 iROM 内部，烧录了一些用来初始化SD卡的代码，以及一些用来将 SD 卡某些扇区内容拷贝到SRAM 中的代码。在 BL0 执行阶段，SoC 调用这些代码来初始化 SD 卡，并将 SD 卡中以第 1 扇区为开始位置的 16KB 内容（也就是BL1）拷贝到 SRAM 中。

（1）三星规定的SD卡各扇区内容

BL0 是写死的，它规定了将 SD卡中以第1扇区为开始位置的16KB 内容（也就是BL1）拷贝到SRAM中，所以我们在烧写SD卡时，要将BL1烧写到SD卡的第1扇区开始的地方。

换句话说，三星规定了 BL1 要烧写在SD卡的第1扇区开始的地方。

另外也规定了BL2，Kernel，FS这些内容的分布，如下所示：

附：扇区与块的概念

早期的块设备就是软盘硬盘这类磁存储设备，这种设备的存储单元不是以字节为单位，而是以扇区为单位。磁存储设备读写的最小单元就是扇区，不能只读取或写部分扇区。这个限制是磁存储设备本身物理方面的原因造成的，也成为了我们编程时必须遵守的规律。

一个扇区有许多字节。早期的磁盘扇区是512字节，后来的磁盘扇区可以做得比较大，比如1024字节、2048字节、4096字节。但是因为最早是512字节，很多操作系统和文件系统已经默认了“一个扇区512个字节”，所以后来的磁盘虽然物理上可以支持更大的扇区，但是实际上一般还是兼容512字节扇区这种操作方法。

块（Block）是指由多个字节组成的一个共同的操作单元块。

由于一个扇区可以看成一个块，所以我们把这一类设备统称为块设备，包括：磁存储设备如硬盘、软盘；光学存储设备如DVD、CD；Flash存储设备如U盘、SSD、SD卡、NandFlash、Norflash、eMMC、iNand芯片等等。Linux里有个MTD驱动，就是用来管理这类块设备的。

由于磁盘和Flash以块为单位来读写，因此下面的拷贝函数只能以块为单位读取SD卡的数据。

（2）拷贝函数简介

具体见手册《S5PV210_iROM_ApplicationNote_Preliminary_20091126.pdf》，以下内容源于手册的第14页前后。

由上表格可知，210内置有很多拷贝函数，用于从不同外部存储器中拷贝数据到内存中。

由于这里讨论的是SD卡启动方式，因此只关注将SD卡数据拷贝到内存（包括 IRAM 和SDRAM）的拷贝函数，即 0xD0037F98 这个地址处的拷贝函数 CopySDMMCtoMem。

该函数的使用声明如下：

/**
* This Function copy MMC(MoviNAND/iNand) Card Data to memory.
* Always use EPLL source clock.
* This function works at 20Mhz.
* @z : 这个参数是SD卡的通道号，在我的开发板中通道0连接的是内部的iNAND，通道2是我要用的。
* @a : param u32 StartBlkAddress : Source card(MoviNAND/iNand MMC)) Address.(It must block address.) 起始的block号。
* @b : param u16 blockSize : Number of blocks to copy. 共复制的block数目。
* @c : param u32* memoryPtr : Buffer to copy from. 复制到SDRAM中的地址。
* @e : param bool with_init : determined card initialization. 一般置0，不做处理。
* @return bool(u8) - Success or failure.
*/

/*
参数1：表示从哪个通道拷贝数据。这里可选0（表示iNand）或者2（表示SD卡）。
参数2：表示从SD卡或者iNand的第几个扇区开始拷贝数据。
参数3：表示一共拷贝拷贝多少个扇区的数据。
参数4：表示将数据拷贝到哪个地址。
参数5：一般置为0，不作处理。
*/

#define CopySDMMCtoMem(z,a,b,c,e) (  ((bool(*)(int, unsigned int, unsigned short, unsigned int*, bool)) (*((unsigned int *)0xD0037F98)))(z,a,b,c,e)  )
                                     //这个是强制类型转换--------------------------------------------- //

上面是以宏定义方式来调用拷贝函数，好处是简单方便，坏处是编译器不能帮我们做参数的静态类型检查。

分析一下上面的宏定义右边的内容，0xD0037F98是函数指针的指针，这基于两个事实，一个是0xD0037F98是iRAM上的地址，而拷贝函数的本体一定是写在iROM中的，所以(*((unsigned int *)0xD0037F98) 代表的就是指向拷贝函数的指针（即函数指针），而(bool(*)(int, unsigned int, unsigned short, unsigned int*, bool))是函数指针类型的强制数据类型转换。

我们也可以用函数指针的方式调用拷贝函数，如下所示（具体案例见开发板——在X210开发板上进行裸机开发的细节第7点）：

// 第二种方法：用函数指针方式调用
typedef bool(*pCopySDMMC2Mem)(int, unsigned int, unsigned short, unsigned int*, bool);

// 实际使用时
pCopySDMMC2Mem p1 = (pCopySDMMC2Mem)0xD0037F98;
p1(x, x, x, x, x);		// 第一种调用方法
(*p1)(x, x, x, x, x);	// 第二种调用方法
*p1(x, x, x, x, x);		// 错误，因为p1先和()结合，而不是先和*结合。

二、S5PV210的SD卡启动方式

1、三星推荐的SD卡启动方式

如上所示，根据S5PV210的用户手册，三星推荐的启动方式如下（假定 bootloader 文件为 80KB）：

（1）开机上电后BL0运行，BL0 从SD卡或者iNand 的第1扇区处，读取bootloader的前16KB（即BL1）到 SRAM 中运行。

（2）BL1运行时，会将BL2（bootloader中80-16=64KB）加载到SRAM（SRAM中第16KB处）中运行。

（3）BL2运行时会初始化DDR，并且将OS搬运到DDR，然后去执行OS，启动完成。

也就是说，三星推荐将BL1放在SRAM中运行，将BL2也放在SRAM中运行，这意味着bootloader必须小于96KB。

2、分散加载方式启动

上面所讲的三星推荐的SD卡启动方式只是一种推荐，我们不一定要遵守。

另外这种推荐方式要求bootloader必须小于96KB，不适用于bootloader大于96KB的情形。

（1）分散加载的含义

这里介绍一种名为“分散加载”的启动方式，它适用于bootloader大于16KB的所有情形。

如果文件大于16KB（只要大于16KB，哪怕是17KB，或者是700MB都是一样的），则需要将整个文件分割成两个独立的部分BL1和BL2，其中BL1小于等于16KB，BL2为任意大小，然后分别烧录到SD卡的不同扇区。

当系统上电时，BL0将BL1加载到SRAM中运行。BL1负责将DDR初始化，然后将BL2从SD卡中加载到DDR中合适的位置，然后在BL1最后（使用绝对地址）强制跳转到BL2所在的地址，转而执行BL2。这种启动方式就叫做分散加载。

（2）代码示例

完整的代码文件见链接，下面是文件组织结构：

（3）注意事项

1）BL1必须烧写在SD卡的第1扇区开始的地方（这是三星官方规定的），我们将 BL1 定为16KB大小（也就是32个Block），则BL2理论上可以从33扇区开始，但实际上会留一些空扇区作为隔离，比如可以从45扇区开始，并根据BL2的大小来分配长度。

因此write2sd文件的内容如下：

#!/bin/sh
sudo dd iflag=dsync oflag=dsync if=./BL1/BL1.bin of=/dev/sdb seek=1
sudo dd iflag=dsync oflag=dsync if=./BL2/BL2.bin of=/dev/sdb seek=45

2）BL1将DDR初始化好之后，整个DDR都可以使用了，这时在其中选择一段长度足够存储BL2的DDR空间即可，因为我们的BL1中只初始化了DDR1，地址空间范围是0x20000000～0x2FFFFFFF，这里我们选择一个合适的地址：0x23E00000。

由于我们这里选择0x23E00000，所以BL2文件夹中的链接脚本的链接地址是0x23E00000（如上图所示）。

另外BL1中调用拷贝函数拷贝BL2到DDR中时，表示将数据拷贝到哪儿的参数4要设置为0x23E00000，比如sd_relocate.c文件内容如下：

#define SD_START_BLOCK	45
#define SD_BLOCK_CNT	32
#define DDR_START_ADDR	0x23E00000

typedef unsigned int bool;

// 通道号：0，或者2
// 开始扇区号：45
// 读取扇区个数：32
// 读取后放入内存地址：0x23E00000
// with_init：0

typedef bool(*pCopySDMMC2Mem)(int, unsigned int, unsigned short, unsigned int*, bool);
typedef void (*pBL2Type)(void);

// 从SD卡第45扇区开始，复制32个扇区内容到DDR的0x23E00000，然后跳转到23E00000去执行
void copy_bl2_2_ddr(void)
{
	// 第一步，读取SD卡扇区到DDR中
	pCopySDMMC2Mem p1 = (pCopySDMMC2Mem)0xD0037F98);
	
	p1(2, SD_START_BLOCK, SD_BLOCK_CNT, (unsigned int *)DDR_START_ADDR, 0);		// 读取SD卡到DDR中
	// 第二步，跳转到DDR中的BL2去执行
	pBL2Type p2 = (pBL2Type)DDR_START_ADDR;
	p2();
}

3）BL1需要这些任务：关看门狗、设置栈、开iCache、初始化DDR、从SD卡复制BL2到DDR中特定位置，并跳转到BL2的开始位置。

比如BL1文件夹中start.S文件内容如下：

#define WTCON		0xE2700000
#define SVC_STACK	0xd0037d80

.global _start	// 把_start链接属性改为外部，这样其他文件就可以看见_start了
_start:
	// 第1步：关看门狗（向WTCON的bit5写入0即可）
	ldr r0, =WTCON
	ldr r1, =0x0
	str r1, [r0]
	
	// 第2步：设置SVC栈
	ldr sp, =SVC_STACK
	
	// 第3步：开/关icache
	mrc p15,0,r0,c1,c0,0;			// 读出cp15的c1到r0中
	//bic r0, r0, #(1<<12)		// bit12 置0  关icache
	orr r0, r0, #(1<<12)			// bit12 置1  开icache
	mcr p15,0,r0,c1,c0,0;

	// 第4步：初始化ddr
	bl sdram_asm_init

	// 第5步：重定位，从SD卡第45扇区开始，复制32个扇区内容到DDR的0x23E00000
	bl copy_bl2_2_ddr
		
	// 汇编最后的这个死循环不能丢
	b .

4）BL1和BL2其实是2个独立的程序，链接时也是独立分开链接的（从代码可知 BL2的是 0x23E00000，BL1的是0xD0020010），因此不能使用ldr pc, =main这种通过链接地址的方式跳转到BL2。但是可以使用地址（函数指针）进行强制跳转，因为BL1知道BL2将被加载到哪个地址，所以BL1最后直接去执行这个地址即可（见 copy_bl2_2_ddr 函数中的最后两行代码）。

（4）分散加载方式的缺点

第一，代码完全分2部分，完全独立，代码编写和组织上麻烦；

第二，无法让工程项目兼容SD卡启动和Nand启动、NorFlash启动等各种启动方式。

3、uboot的启动方式

uboot文件大小一般超过200KB，不适合用三星推荐的启动方式；另外如果采用分散加载，则又无法兼容SD卡启动、Nand启动、NorFlash启动等启动方式，于是uboot采取了另外一种启动流程：

1）上电后BL0运行，BL0从SD卡扇区1开始读取16KB内容（即BL1）到SRAM中。

2）BL1运行时会初始化DDR，然后从SD卡的49扇区开始拷贝整个uboot（BL1+BL2）到DDR中，然后利用 ldr pc, =main 这种远跳转方式，从SRAM中运行的BL1跳转到DDR中运行的BL2。

要执行上面1）2）流程，需要事先使用sd_fusing.sh脚本将uboot烧写到SD卡中，该文件部分内容如下所示。可见它把uboot前8KB内容烧写到了SD卡的扇区1开始的地方，把整个uboot烧写到了第49扇区开始的地方。虽然这个脚本实际截取8KB的内容烧写至SD卡第1扇区，但我猜想BL0还是会从SD卡扇区1开始读取16KB内容。

#<BL1 fusing>
bl1_position=1
uboot_position=49
 
echo "BL1 fusing"
./mkbl1 ../u-boot.bin SD-bl1-8k.bin 8192
dd iflag=dsync oflag=dsync if=SD-bl1-8k.bin of=$1 seek=$bl1_position
rm SD-bl1-8k.bin
 
####################################
#<u-boot fusing>
echo "u-boot fusing"
dd iflag=dsync oflag=dsync if=../u-boot.bin of=$1 seek=$uboot_position

3）然后在DDR中继续执行BL2。

uboot的这种启动方式，和分散加载启动方式一样，把代码分为了BL1和BL2两部分；但uboot的这种启动方法，把整个uboot当做一个整体加载到DDR中的链接地址处，因此可以在BL1末尾处使用“ldr pc, =main ”这种远跳转方式，从BL1跳转到BL2。

注意，这里的“uboot的启动方式”只是一种思路与方法，这个文件不一定就是uboot，但课程中没有提供案例代码。