ARM裸機-18（SD卡啟動）

1、主流的外存設備介紹

????????內存和外存的區別：一般是把這種RAM(random access memory，隨機訪問存儲器，特點是任意字節讀寫，掉電丟失)叫內存，把ROM (read only memory，只讀存儲器，類似于Flash、SD卡之類的，用來存儲東西，掉電不丟失，不能隨機地址訪問，只能以塊為單位來訪問)叫外存。

1.1、軟盤、硬盤、光盤、CD、磁帶

? ? ? ? (1)、存儲原理大部分為磁存儲，缺點是讀寫速度、可靠性等。優點是技術成熟、價格便宜。
使用在桌面電腦中，在嵌入式設備中幾乎無使用。

????????(2)、現代存儲的發展方向是Flash存儲，閃存技術是利用電學原理來存儲1和0，從而制成存儲設備。所以閃存設備沒有物理運動(硬盤中的磁頭)，I所以讀寫速度可以很快，且無物理損耗。

1.2、純粹的Flash：NandFlash、NorFlash

????????(1)、這些是最早出現的、最原始的Flash顆粒組成芯片。也就是說NandFlash、NorFlash芯片中只是對存儲單元做了最基本的讀寫接口，然后要求外部的SoC來提供Flash讀寫的控制器以和Flash進行讀寫時序。

????????(2)、缺陷：1、讀寫接口時序比較復雜；2、內部無壞塊處理機制，需要SoC自己來管理Flash的壞塊；3、各家廠家的Flash接口不一致，甚至同一個廠家的不同型號、系列的Flash接口都不一致，這就造成產品升級時很麻煩。

????????(3)、NandFlash分MLC和SLC兩種。SLC技術比較早，可靠性高，缺點是容量做不大(或者說容量大了太貴，一般SLC Nand都是512MB以下)；MLC技術比較新，不成熟，可靠性差，優點是容量可以做很大很便宜，現在基本都在發展MLC技術。

1.3、SD卡、MMC卡、MicroSD、TF卡

????????(1)、這些卡其實內部就是Flash存儲顆粒，比直接的Nand芯片多了統一的外部封裝和接口。

????????(2)、卡都有統一的標準，譬如SD卡都是遵照SD規范來發布的。這些規范規定了SD卡的讀寫速度、讀寫接口時序、讀寫命令集、卡大小尺寸、引腳個數及定義。這樣做的好處就是不同廠家的SD卡可以通用。

1.4、iNand、MoviNand、eSSD

????????(1)、電子產品如手機、相機等，前些年趨勢是用SD卡/TF卡等擴展存儲容量；但是近年來的趨勢是直接內置大容量Flash芯片而不是外部擴展卡。

????????(2)、外部擴展卡時間長了，卡槽可能會接觸不良導致不可靠。

????????(3)、現在主流的發展方向是使用iNand、MoviNand、eSSD (還有別的一些名字)來做電子產品的存儲芯片。這些東西的本質還是NandFlash，內部由Nand的存儲顆粒構成，再集成了塊設備管理單元，綜合了SD卡為代表的各種卡的優勢和原始的NandFlash芯片的優勢。

????????(4)、優勢：1、向SD卡學習，有統一的接口標準(包括引腳定義、物理封裝、接口時序)。2、向原始的Nand學習，以芯片的方式來發布而不是以卡的方式；3、內部內置了Flash管理模塊，提供了諸如壞塊管理等功能，讓Nand的管理容易了起來。

1.5、SSD

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2、SD卡的特點和背景知識

2.1、SD卡和MMC卡的關系

????????(1)、MMC標準比SD標準早，SD標準兼容MMC標準。

????????(2)、MMC卡可以被SD讀卡器讀寫，而SD卡不可以被MMC讀卡器讀寫。

2.2、SD卡和Nand、Nor等Flash芯片差異

????????(1)、SD卡/MMC卡等卡類有統一的接口標準，而Nand芯片沒有統一的標準(各家產品會有差異)。

2.3、SD卡與MicroSD的區別

????????(1)、體積大小區別而已，傳輸與原理完全相同。

2.4、SD卡與TF卡的區別

????????(1)、外觀上，SD卡大而TF卡小；用途上，SD卡用于數碼相機等而TF卡廣泛用于手機、GPS等。

????????(2)、時間上，SD卡1999年推出，TF卡于2004年推出；SD卡由日本松下、東芝與美國SanDisk共同推出，而TF卡由Motorola與SanDisk共同推出。

????????(3)、SD卡有寫保護而TF卡沒有，TF卡可以通過卡套轉成SD卡使用。

3、SD卡的編程接口

3.1、SD卡的物理接口

? ? ? ? (1)、SD卡中9針腳與外界進行物理連接，這9個腳中有2個地，1個電源，6個信號線。

3.2、SD協議與SPI協議

????????(1)、SD卡與SRAM/DDR/SROM之類的東西的不同：SRAM/DDR/SROM之類的存儲芯片是總線式的，只要連接上初始化好之后就可以由SoC直接以地址方式來訪問。但是SD卡不呢個直接通過接口給地址來訪問，它的訪問需要按照一定的接口協議（時序）來訪問。

????????(2)、SD卡雖然只有一種物理接口，但是卻支持兩種讀寫協議：SD協議和SPI協議。

3.3、SPI協議特點 (低速、接口操作時序簡單、適合單片機)

????????(1)、SPI協議是單片機中廣泛使用的一種通信協議，并不是為SD卡專門發明的。

????????(2)、SPI協議相對SD協議來說速度比較低。

????????(3)、SD卡支持SPI協議，就是為了單片機方便使用。

3.4、SD協議特點(高速、接口時序復雜，適合有SDIO接口的SoC)

????????(1)、SD協議是專門用來和SD卡通信的。

????????(2)、SD協議要求SoC中有SD控制器，運行在高速率下，要求SoC的主頻不能太低。

3.5、S5PV210的SD/MMC控制器

????????(1)、數據手冊Section8.7，為SD/MMC控制器介紹。

????????(2)、SD卡內部除了存儲單元Flash外，還有SD卡管理模塊，我們SoC和SD卡通信時，通過9針引腳以SD協議/SPI協議向SD卡管理模塊發送命令、時鐘、數據等信息，然后從SD卡返回信息給SoC來交互。工作時每一個任務(譬如初始化SD卡、譬如讀一個塊、譬如寫、譬如擦除···) 都需要一定的時序來完成(所謂時序就是先向SD卡發送xx命令，SD卡回xx消息，然后再向SD卡發送xx命令...)。

4、S5PV210的SD卡啟動詳解1

4.1、SoC為何要支持SD卡啟動

? ? ? ?(1)、一?個普遍性的原則就是：SoC支持的啟動方式越多，將來使用時就越方便，用戶的可選擇性就越大，SoC的適用面就越廣。

????????(2)、SD卡有一些好處：譬如可以在不借用專用燒錄工具 (類似Jlink) 的情況下對SD卡進行刷機，然后刷機后的SD卡插入卡槽，SoC即可啟動：譬如可以用SD卡啟動進行量產刷機(量產卡)。像我們X210開發板，板子貼片好的時候，內部iNand是空的，此時直接啟動無啟動；板子出廠前官方刷機時是把事先做好的量產卡插入SD卡卡槽，然后打到iNand方式啟動；因為此時iNand是空的所以第一啟動失敗，會轉而第二啟動，就從外部SD2通道的SD卡啟動了。啟動后會執行刷機操作對iNand進行刷機，刷機完成后自動重啟 (這回重啟時iNand中已經有image了，所以可以啟動了)。刷機完成后SD量產卡拔掉，燒機48小時，無死機即可裝箱待發貨。I

4.2、SD卡啟動的難點在哪里 (SRAM、DDR、SDCard)

????????(1)、SRAM、DDR都是總線式訪問的，SRAM不需初始化既可直接使用而DDR需要初始化后才能使用，但是總之CPU可以直接和SRAM/DRAM打交道；而SD卡需要時序訪問，CPU不能直接和SD卡打交道；NorFlash讀取時可以總線式訪問，所以Norflash啟動非常簡單，可以直接啟動，但是SD/NandFlash不行。

????????(2)、以前只有NorFlash可以作為啟動介質，臺式機筆記本的BIOS就是NorFlash做的。后來三星在2440中使用了Stepping Stone的技術，讓NandFlash也可以作為啟動介質。Stepping Stone(翻譯為啟動基石)技術就是在SoC內部內置4KB的SRAM，然后開機時SoC根據OMpin判斷用戶設置的啟動方式，如果是NandFlash啟動，則SoC的啟動部分的硬件直接從外部NandFlash中讀取開頭的4KB到內部SRAM作為啟動內容。

????????(3)、啟動基石技術進一步發展，在6410芯片中得到完善，在210芯片時已經完全成熟。210中有96KB的SRAM，并且有一段iROM代碼作為BL0，BL0再去啟動BL1 (210中的BL0做的事情在2440中也有，只不過那時候是硬件自動完成的，而且體系沒有210中這么詳細)。

4.3、S5PV210的啟動過程回顧

????????(1)、210啟動首先執行內部的iROM (也就是BL0)，BL0會判斷OMpin來決定從哪個設備啟動，如果啟動設備是SD卡，則BL0會從SD卡讀取前16KB (不一定是16，反正16是工作的)到SRAM中去啟動執行(這部分就是BL1，這就是steppinqstone技術)。

????????(2)、BL1執行之后剩下的就是軟件的事情了，SoC就不用再去操心了。

4.4、SD卡啟動流程(bin文件小于16KB時和大于16KB時)

????????(1)、啟動的第一種情況是整個鏡像大小小于16KB。這時候相當于我的整個鏡像作為BL1被steppingstone直接硬件加載執行了而已。

????????(2)、啟動的第二種情況就是整個鏡像大小大于16KB。 (只要大于16KB，哪怕是17KB，或者是700MB都是一樣的) 這時候就要把整個鏡像分為2部分：第一部分16KB大小，第二部分是剩下的大小。然后第一部分作為BL1啟動，負責去初始化DRAM并且將第二部分加載到DRAM中去執行 (uboot就是這樣做的)。

4.5、最重要的但是卻隱含未講的東西

????????(1)、問題：iROM究竟是怎樣讀取SD卡/NandFlash的?

????????(2)、三星在iROM中事先內置了一些代碼去初始化外部SD卡/NandFlash，并且內置了讀取各種SD卡/NandFlash的代碼在iROM中。BL0執行時就是通過調用這些device copy function來讀取外部SD卡/Nand Flash中的BL1的。

5、S5PV210的SD卡啟動詳解2

5.1、SoC支持SD卡啟動的秘密 (iROM代碼)

????????(1)、三星系列SoC支持SD卡/NandFlash啟動，主要是依靠SteppingStone技術，具體在S5PV210中支持steppingstone技術的是內部的iROM代碼。

5.2、再看iROM application note：block device copy function

5.3、扇區和塊的概念

????????(1)、早期的塊設備就是軟盤硬盤這類磁存儲設備，這種設備的存儲單元不是以字節為單位，而是以扇區為單位。磁存儲設備讀寫的最小單元就是扇區，不能只讀取或寫部分扇區。這個限制是磁存儲設備本身物理方面的原因造成的，也成為了我們編程時必須遵守的規律。

????????(2)、一個扇區有好多個字節(一般是512個字節)。早期的磁盤扇區是512字節，實際上后來的磁盤扇區可以做的比較大(譬如1024字節，譬如2048字節，譬如4096字節)，但是因為原來最早是512字節，很多的軟件 (包括操作系統和文件系統)已經默認了512這個數字，因此后來的硬件雖然物理上可能支持更大的扇區，但是實際上一般還是兼容512字節扇區這種操作方法。

????????(3)、一個扇區可以看成是一個塊block (塊的概念就是：不是一個字節，是多個字節組成一個共同的操作單元塊)，所以就把這一類的設備稱為塊設備。常見的塊設備有：磁存儲設備硬盤、軟盤、DVD和Flash設備(U盤、SSD、SD卡、NandFlash、NorFlash、eMMC、iNand)。

????????(4)、linux里有個mtd驅動，就是用來管理這類塊設備的。

????????(5)、磁盤和Flash以塊為單位來讀寫，就決定了我們啟動時device copy function只能以整塊為單位來讀取SD卡。

5.4、用函數指針方式調用device copy function

????????(1)、第一種方法：宏定義方式來調用。好處是簡單方便，壞處是編譯器不能幫我們做參數的靜態類型檢查。

????????(2)、第二種方法：用函數指針方式來調用。

6、S5PV210的SD卡啟動實戰1

6.1、任務：大于16KB的bin文件使用SD卡啟動

????????(1)、總體思路：將我們的代碼分為2部分：第一部分BL1小于等于16KB，第二部分為任意大小，iROM代碼執行完成后從SD卡啟動會自動讀取BL1到SRAM中執行；BL1執行時負責初始化DDR，然后手動將BL2從SD卡copy到DDR中正確位置，然后BL1遠跳轉到BL2中執行BL2。

????????(2)、細節1：程序怎么安排?程序整個分為2個文件夾BL1和BL2，各自管理各自的項目。

????????(3)、細節2：BL1中要完成：關看門狗、設置棧、開iCache、初始化DDR、從SD卡復制BL2到DDR中特定位置，跳轉執行BL2。

????????(4)、細節3：BL1在SD卡中必須從Block1開始(Block0不能用，這個是三星官方規定的)，長度為16KB內，我們就定為16KB (也就是32個block)；BL1理論上可以從33扇區開始，但是實際上為了安全都會留一些空扇區作為隔離，譬如可以從45扇區開始，長度由自己定(實際根據自己的BL2大小來分配長度，我們實驗時BL2非常小，因此我們定義BL2長度為16KB，也就是32扇區)。

????????(5)、細節4：DDR初始化好之后，整個DDR都可以使用了，這時在其中選擇一段長度足夠BL2的DDR空間即可。我們選0x23E00000(因為我們BL1中只初始化了DDR1，地址空間范圍是0x20000000~0x2FFFFFFF )。

6.2、代碼劃分為2部分(BL1和BL2)

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6.3、BL1中的重定位

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6.4、BL2遠跳轉

????????(1)、因為我們BL1和BL2其實是2個獨立的程序，鏈接時也是獨立分開鏈接的，所以不能像以前一樣使用ldr pc，=main這種方式來通過鏈接地址實現遠跳轉到BL2。

????????(2)、我們的解決方案是使用地址進行強制跳轉。因為我們知道BL2在內存地址0x23E00000處，所以直接去執行這個地址即可。

7、S5PV210的SD卡啟動實戰2

7.1、燒錄啟動實驗

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7.2、代碼分為2部分啟動(上一節講的)的缺陷

????????(1)、代碼分為2部分，這種技術叫分散加載。這種分散加載的方法可以解決問題，但是比較麻煩。

????????(2)、分散加載的缺陷：第一，代碼完全分2部分，完全獨立，代碼編寫和組織上麻煩；第二，無法讓工程項目兼容SD卡啟動和Nand啟動、NorFlash啟動等各種啟動方式。

7.3、uboot中的做法

????????(1)、第二種思路：程序代碼仍然包括BL1和BL2兩部分，但是組織形式上不分為2部分而是作為一個整體來組織。它的實現方式是：iROM啟動然后從SD卡的扇區1開始讀取16KB的BL1然后去執行BL1，BL1負責初始化DDR，然后從SD卡中讀取整個程序 (BL1+BL2) 到DDR中，然后從DDR中執行 (利用ldr pc，=main這種方式以遠跳轉從SRAM中運行的BL1跳轉到DDR中運行的BL2)。

7.4、再來分析uboot的SD卡啟動細節

????????(1)、uboot編譯好之后有200多KB，超出了16KB。uboot的組織方式就是前面16KB為BL1，剩下的部分為BL2。

????????(2)、uboot在燒錄到SD卡的時候，先截取uboot.bin的前16KB (實際腳本截取的是8KB) 燒錄到SD卡的block1~bolck32；然后將整個uboot燒錄到SD卡的某個扇區中(如49扇區)。

????????(3)、實際uboot從SD卡啟動時是這樣的：iROM先執行，根據OMpin判斷出啟動設備是SD卡，然后從SD卡的block1開始讀取16KB (8KB)到SRAM中執行BL1，BL1執行時負責初始化DDR，并且從SD卡的49扇區開始復制整個uboot到DDR中指定位置 (0x23E00000) 去備用；然后BL1繼續執行直到ldr pc，=main時BL1跳轉到DDR上的BL2中接著執行uboot的第二階段。

????????總結：uoot中的這種啟動方式比上節進的分散加載的好處在于：能夠兼容各種啟動方式。

8、解決X210開發板的軟開關按鍵問題

8.1、210開發板的軟啟動電路詳解

????????(1)、210供電需要的電壓比較穩定，而外部適配器的輸出電壓不一定那么穩定，因此板載了一個穩壓器件MP1482。這個穩壓芯片的作用就是外部適配器電壓在一定范圍內變化時穩壓芯片的輸出電壓都是5V。

????????(2)、MP1482芯片有一個EN (Enable) 引腳，這個引腳可以讓穩壓芯片輸出或關閉輸出。EN為高電平時有輸出電壓，EN引腳為低電平時穩壓芯片無輸出。

????????(3)、兩個因素可以影響EN引腳的電平：第一個是POWER按鍵 (SW1)，POWER按鍵按下時EN為高電平，POWER按鍵彈起時EN為低電平；第二個是POWER_LOCK (EINT0)引腳，這個引腳為POWER_LOCK模式下高電平，則EN為高；若這個引腳為EINT0模式或者為POWER_LOCK模式但輸出為低電平，則EN為低。

????????(4)、圖中還有EINT1引腳，這個引腳的作用是用來做中斷，提供給CPU用來喚醒的。