嵌入式裸机SD卡启动学习笔记
一.主流的外存设备介绍
http://www.360doc.com/content/17/0930/22/1751130_691457644.shtml
二.SD卡的特点和背景知识
2.1.SD卡和MMC卡的关系
(1)MMC标准比SD标准早，SD标准兼容MMC标准。
(2)MMC卡可以被SD读卡器读写，而SD卡不可以被MMC读卡器读写。
2.2.SD卡和Nand、Nor等Flash芯片差异
SD卡/MMC卡等卡类有统一的接口标准，而Nand芯片没有统一的标准（各家产品会有差异）
2.3.SD卡与MicroSD的区别
体积大小区别而已，传输与原理完全相同。
2.4.SD卡与TF卡的区别
(1)外观上，SD卡大而TF卡小；用途上，SD卡用于数码相机等而TF卡广泛用于手机、GPS等；
(2)时间上，SD卡1999年推出，TF卡于2004年推出；SD卡由日本松下、东芝与美国SanDisk共同推出，而TF卡由Motorola与SanDisk共同推出。
(3)SD卡有写保护而TF卡没有，TF卡可以通过卡套转成SD卡使用。
三.SD卡的编程接口
3.1 SD卡的物理接口
SD卡由9个针脚与外界进行物理连接，这9个脚中有2个地，1个电源，6个信号线。
3.2 SD协议与SPI协议
(1)SD卡与SRAM/DDR/SROM之类的东西的不同：SRAM/DDR/SROM之类的存储芯片是总线式的，只要连接上初始化好之后就可以由SoC直接以地址方式来访问；但是SD卡不能直接通过接口给地址来访问，它的访问需要按照一定的接口协议（时序）来访问。
(2)SD卡虽然只有一种物理接口，但是却支持两种读写协议：SD协议和SPI协议。
3.3 SPI协议特点（低速、接口操作时序简单、适合单片机）
(1)SPI协议是单片机中广泛使用的一种通信协议，并不是为SD卡专门发明的。
(2)SPI协议相对SD协议来说速度比较低。
(3)SD卡支持SPI协议，就是为了单片机方便使用。
3.4 SD协议特点（高速、接口时序复杂，适合有SDIO接口的SoC）
(1)SD协议是专门用来和SD卡通信的。
(2)SD协议要求SoC中有SD控制器，运行在高速率下，要求SoC的主频不能太低。
3.5 S5PV210的SD/MMC控制器
(1)SD/ MMC主机控制器是SD和MultiMediaCard的组合主控制器。这个主控制器是
基于SD协会(SDA)主机标准规范。
SD/MMC主机控制器是系统和SD/MMC之间的接口。这个主机的性能是非常强大的，因为时钟速率是52兆赫并且同时访问8位数据引脚
(2)SD卡内部除了存储单元Flash外，还有SD卡管理模块，我们SoC和SD卡通信时，通过9针引脚以SD协议/SPI协议向SD卡管理模块发送命令、时钟、数据等信息，然后从SD卡返回信息给SoC来交互。工作时每一个任务（譬如初始化SD卡、譬如读一个块、譬如写、譬如擦除····）都需要一定的时序来完成（所谓时序就是先向SD卡发送xx命令，SD卡回xx消息，然后再向SD卡发送xx命令····）
四.S5PV210的SD卡启动介绍
4.1 SoC为何要支持SD卡启动
(1)一个普遍性的原则就是：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。
(2)SD卡有一些好处：譬如可以在不借用专用烧录工具（类似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；譬如可以用SD卡启动进行量产刷机（量产卡）。像我们X210开发板，板子贴片好的时候，内部iNand是空的，此时直接启动无启动；板子出厂前官方刷机时是把事先做好的量产卡插入SD卡卡槽，然后打到iNand方式启动；因为此时iNand是空的所以第一启动失败，会转而第二启动，就从外部SD2通道的SD卡启动了。启动后会执行刷机操作对iNand进行刷机，刷机完成后自动重启（这回重启时iNand中已经有image了，所以可以启动了）。刷机完成后SD量产卡拔掉，烧机48小时，无死机即可装箱待发货。
4.2 SD卡启动的难点在哪里（SRAM、DDR、SDCard）
(1)SRAM、DDR都是总线式访问的，SRAM不需初始化既可直接使用而DDR需要初始化后才能使用，但是总之CPU可以直接和SRAM/DRAM打交道；而SD卡需要时序访问，CPU不能直接和SD卡打交道；NorFlash读取时可以总线式访问，所以Norflash启动非常简单，可以直接启动，但是SD/NandFlash不行。
(2)以前只有Norflash可以作为启动介质，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（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OM pin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。
(3)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，只不过那时候是硬件自动完成的，而且体系没有210中这么详细）。
4.3 S5PV210的启动过程回顾
(1)210启动首先执行内部的iROM（也就是BL0），BL0会判断OMpin来决定从哪个设备启动，如果启动设备是SD卡，则BL0会从SD卡读取前16KB（不一定是16，反正16是工作的）到SRAM中去启动执行（这部分就是BL1，这就是steppingstone技术）
(2)BL1执行之后剩下的就是软件的事情了，SoC就不用再去操心了。
4.4 SD卡启动流程（bin文件小于16KB时和大于16KB时）
(1)启动的第一种情况是整个镜像大小小于16KB。这时候相当于我的整个镜像作为BL1被steppingstone直接硬件加载执行了而已。
(2)启动的第二种情况就是整个镜像大小大于16KB。（只要大于16KB，哪怕是17KB，或者是700MB都是一样的）这时候就要把整个镜像分为2部分：第一部分16KB大小，第二部分是剩下的大小。然后第一部分作为BL1启动，负责去初始化DRAM并且将第二部分加载到DRAM中去执行（uboot就是这样做的）。
4.5 最重要的但是却隐含未讲的东西
问题：iROM究竟是怎样读取SD卡/NandFlash的？
（1）三星在iROM中事先内置了一些代码去初始化外部SD卡/NandFlash，并且内置了读取各种SD卡/NandFlash的代码在iROM中。BL0执行时就是通过调用这些device copy function来读取外部SD卡/NandFlash中的BL1的。
(2)三星系列SoC支持SD卡/NandFlash启动，主要是依靠SteppingStone技术，具体在S5PV210中支持steppingstone技术的是内部的iROM代码。
4.6 Device Copy Function
S5PV210内部有ROM代码块复制功能，用于引导-u设备。因此,
开发人员可能不需要实现设备复制功能。这些内部函数可以复制任何
从内存设备到SDRAM的数据。用户完成内部ROM后可以使用这些功能
完全引导过程。
4.7 扇区和块的概念
(1)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。
(2)一个扇区有好多个字节（一般是512个字节）。早期的磁盘扇区是512字节，实际上后来的磁盘扇区可以做的比较大（譬如1024字节，譬如2048字节，譬如4096字节），但是因为原来最早是512字节，很多的软件（包括操作系统和文件系统）已经默认了512这个数字，因此后来的硬件虽然物理上可能支持更大的扇区，但是实际上一般还是兼容512字节扇区这种操作方法。
(3)一个扇区可以看成是一个块block（块的概念就是：不是一个字节，是多个字节组成一个共同的操作单元块），所以就把这一类的设备称为块设备。常见的块设备有：磁存储设备硬盘、软盘、DVD和Flash设备（U盘、SSD、SD卡、NandFlash、Norflash、eMMC、iNand）
(4)linux里有个mtd驱动，就是用来管理这类块设备的。
(5)磁盘和Flash以块为单位来读写，就决定了我们启动时device copy function只能以整块为单位来读取SD卡。
4.8 用函数指针方式调用device copy function
(1)第一种方法：宏定义方式来调用。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。
(2)第二种方法：用函数指针方式来调用。
typedef unsigned int bool;
// 第一种方法：宏定义
#define CopySDMMCtoMem(z,a,b,c,e)(((bool(*)(int, unsigned int, unsigned short, unsigned int*, bool))(*((unsigned int *)0xD0037F98)))(z,a,b,c,e))
// 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。
五.S5PV210的SD卡启动编程实践
5.1 任务和总体思路
任务：大于16KB的bin文件使用SD卡启动
总体思路：将我们的代码分为2部分：第一部分BL1小于等于16KB，第二部分为任意大小，iROM代码执行完成后从SD卡启动会自动读取BL1到SRAM中执行；BL1执行时负责初始化DDR，然后手动将BL2从SD卡copy到DDR中正确位置，然后BL1远跳转到BL2中执行BL2.
细节：
- 细节1：程序怎么安排？程序整个分为2个文件夹BL1和BL2，各自管理各自的项目。
- 细节2：BL1中要完成：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，跳转执行BL2.
- 细节3：BL1在SD卡中必须从Block1开始（Block0不能用，这个是三星官方规定的），长度为16KB内，我们就定为16KB（也就是32个block）；BL1理论上可以从33扇区开始，但是实际上为了安全都会留一些空扇区作为隔离，譬如可以从45扇区开始，长度由自己定（实际根据自己的BL2大小来分配长度，我们实验时BL2非常小，因此我们定义BL2长度为16KB，也就是32扇区）。
- 细节4：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BL2的DDR空间即可。我们选0x23E00000（因为我们BL1中只初始化了DDR1，地址空间范围是0x20000000～0x2FFFFFFF）。
一般流程
- 代码划分为2部分（BL1和BL2）
- BL1中的重定位
- BL2远跳转
(1)因为我们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，所以不能像以前一样使用ldr pc, =main这种方式来通过链接地址实现元跳转到BL2.
(2)我们的解决方案是使用地址进行强制跳转。因为我们知道BL2在内存地址0x23E00000处，所以直接去执行这个地址即可。
5.3 编程实践
根据上面的分析，我们将程序分为两个部分BL1和BL2，文件框图如下：
5.3.1 BL1 代码分析
BL1中要完成：
- 关看门狗
- 设置栈
- 开iCache
- 初始化DDR
- 使用自带的copy函数从SD卡复制BL2到DDR中特定位置，跳转执行BL2.
start.S
#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
bl led1
bl delay
// 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
bl led2
bl delay
// 汇编最后的这个死循环不能丢
b .
sd_relocate.c
#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)(*(unsigned int *)0xD0037F98);
//pCopySDMMC2Mem p1 = (pCopySDMMC2Mem)0xD0037F98);
led2();
delay();
p1(2, SD_START_BLOCK, SD_BLOCK_CNT, (unsigned int *)DDR_START_ADDR, 0); // 读取SD卡到DDR中
led1();
delay();
// 第二步，跳转到DDR中的BL2去执行
pBL2Type p2 = (pBL2Type)DDR_START_ADDR;
p2();
led3();
delay();
}
5.3.2 BL2 代码分析
BL2 start.S中实现长跳转
在link.lds 中设置运行地址0x23E00000，所以直接去执行这个地址即可。
start.S
#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:
//run_on_dram:
// 长跳转到led_blink开始第二阶段
ldr pc, =main // ldr指令实现长跳转
// 汇编最后的这个死循环不能丢
b .
link.lds
SECTIONS
{
. = 0x23E00000;
.text : {
start.o
* (.text)
}
.data : {
* (.data)
}
bss_start = .;
.bss : {
* (.bss)
}
bss_end = .;
}
5.3.3 Makefile 解析
all:
make -C ./BL1
make -C ./BL2
clean:
make clean -C ./BL1
make clean -C ./BL2
当make的目标为all时，-C $ (KDIR) 指明跳转到源码目录下读取那里的Makefile；M=$(PWD) 表明然后返回到当前目录继续读入、执行当前的Makefile。
在此工程中，通过最外层的Makefile 中的make -C 指令 对两个文件夹中的分工程进行了编译链接，生成了对应的bin文件（BL1 /BL2）
5.3.4 write2sd解析
#!/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
dd 命令的使用方法
（转自https://blog.csdn.net/baidu_37973494/article/details/82734594）
主用功能是用于拷贝文件，也就是用指定大小的块去拷贝一个文件，并在拷贝的同时进行指定的转换（默认从标准输入拷贝到标准输出，这意味dd可以在管道中使用）。这个拷贝过程简单理解就是读取，转换并输出数据。
语 法：dd [bs=<字节数>][cbs=<字节数>][conv=<关键字>][count=<区块数>][ibs=<字节数>][if=<文件>][obs=<字节数>][of=<文件>][seek=<区块数>][skip=<区块数>][–help][–version]
常用选项说明
bs=比特数 一次读写的比特数
cbs=比特数 一次转换的比特数
conv=CONVS 依照每个逗号分割的标志列表转换文件
count=块数 只将指定个块数复制到块
ibs=比特数 一次读取的比特数(默认：512)
if=文件 从指定文件中读取
iflag=flag 按照以逗号分隔的符号列表指定的方式读取
obs=比特数 一次写入指定比特数(默认：512)
of=文件 写入到指定文件
oflag=flag 按照以逗号分隔的符号列表指定的方式写入
seek=块数 在输出开始处跳过指定的块数
skip=块数 在输入开始处跳过指定的块数
status=noxfer 禁止传输统计
flag参数说明
append 追加模式(仅对输出有意义；隐含了conv=notrunc)
direct 使用直接I/O 存取模式
directory 除非是目录，否则 directory 失败
dsync 使用同步I/O 存取模式
sync 与上者类似，但同时也对元数据生效
fullblock 为输入积累完整块(仅iflag)
nonblock 使用无阻塞I/O 存取模式
noatime 不更新存取时间
nocache 丢弃缓存数据
noctty 不根据文件指派控制终端
nofollow 不跟随链接文件
sudo dd iflag=dsync oflag=dsync if=./BL1/BL1.bin of=/dev/sdb seek=1
解析：sudo是超级用户权限，dd是linux 的命令；dsync 读写数据采用同步IO；
iflag=flag 使用iflag来控制输入(读取数据)时的行为特征。
oflag=flag 使用oflag来控制输出(写入数据)时的行为特征。
seek=1 表示跳过第零个扇区，从第一个扇区开始
因此意思是：使用超级用户权限把BL1.bin读取进来，经过处理再输出到设备sdb上，跳过该设备的第一个block（每个block的大小为512B）
sudo dd iflag=dsync oflag=dsync if=./BL2/BL2.bin of=/dev/sdb seek=45
因此意思是：使用超级用户权限把BL2.bin读取进来，经过处理再输出到设备sdb上，跳过该设备的前45个block（每个block的大小为512B）
5.4 实验总结
5.4.1 代码缺陷
代码分为2部分启动（上一节讲的）的缺陷
(1)代码分为2部分，这种技术叫分散加载。这种分散加载的方法可以解决问题，但是比较麻烦。
(2)分散加载的缺陷：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。
5.4.2 uboot中的做法
(1)第二种思路：程序代码仍然包括BL1和BL2两部分，但是组织形式上不分为2部分而是作为一个整体来组织。它的实现方式是：iROM启动然后从SD卡的扇区1开始读取16KB的BL1然后去执行BL1，BL1负责初始化DDR，然后从SD卡中读取整个程序（BL1+BL2）到DDR中，然后从DDR中执行（利用ldr pc, =main这种方式以远跳转从SRAM中运行的BL1跳转到DDR中运行的BL2）。
5.4.3 uboot的SD卡启动细节
(1)uboot编译好之后有200多KB，超出了16KB。uboot的组织方式就是前面16KB为BL1，剩下的部分为BL2.
(2)uboot在烧录到SD卡的时候，先截取uboot.bin的前16KB（实际脚本截取的是8KB）烧录到SD卡的block1～bolck32；然后将整个uboot烧录到SD卡的某个扇区中（譬如49扇区）
(3)实际uboot从SD卡启动时是这样的：iROM先执行，根据OMpin判断出启动设备是SD卡，然后从S卡的block1开始读取16KB（8KB）到SRAM中执行BL1，BL1执行时负责初始化DDR，并且从SD卡的49扇区开始复制整个uboot到DDR中指定位置（0x23E00000）去备用；然后BL1继续执行直到ldr pc, =main时BL1跳转到DDR上的BL2中接着执行uboot的第二阶段。
总结：uboot中的这种启动方式比上节讲的分散加载的好处在于：能够兼容各种启动方式。
- typedef
- 函数指针
注：以上内容来自朱老师物联网大讲堂裸机课件笔记整理