ARM裸机-9.SD卡启动详解

1.主流的外存设备介绍

        内存和外存的区别：一般是把这种RAM(random access memory,随机访问存储器，特点是任意字节读写，掉电丢失)叫内存，把ROM（read only memory，只读存储器，类似于Flash SD卡之类的，用来存储东西，掉电不丢失，不能随机地址访问，只能以块为单位来访问）叫外存

1.1、软盘、硬盘、光盘、CD、磁带

        (1)存储原理大部分为磁存储，缺点是读写速度、可靠性等。优点是技术成熟、价格便宜。广泛使用在桌面电脑中，在嵌入式设备中几乎无使用。

        (2)现代存储的发展方向是Flash存储，闪存技术是利用电学原理来存储1和0，从而制成存储设备。所以闪存设备没有物理运动（硬盘中的磁头），所以读写速度可以很快，且无物理损耗。

1.2、纯粹的Flash：NandFlash、NorFlash

        (1)这些是最早出现的、最原始的Flash颗粒组成芯片。也就是说NandFlash、NorFlash芯片中只是对存储单元做了最基本的读写接口，然后要求外部的SoC来提供Flash读写的控制器以和Flash进行读写时序。

        (2)缺陷：1、读写接口时序比较复杂。2、内部无坏块处理机制，需要SoC自己来管理Flash的坏块；3、各家厂家的Flash接口不一致，甚至同一个厂家的不同型号、系列的Flash接口都不一致，这就造成产品升级时很麻烦。

        (3)NandFlash分MLC和SLC两种。SLC技术比较早，可靠性高，缺点是容量做不大（或者说容量大了太贵，一般SLC Nand都是512MB以下）；MLC技术比较新，不成熟，可靠性差，优点是容量可以做很大很便宜，现在基本都在发展MLC技术。

1.3、SD卡、MMC卡、MicroSD、TF卡

        (1)这些卡其实内部就是Flash存储颗粒，比直接的Nand芯片多了统一的外部封装和接口。

        (2)卡都有统一的标准，譬如SD卡都是遵照SD规范来发布的。这些规范规定了SD卡的读写速度、读写接口时序、读写命令集、卡大小尺寸、引脚个数及定义。这样做的好处就是不同厂家的SD卡可以通用。

1.4、iNand、MoviNand、eSSD

        (1)电子产品如手机、相机等，前些年趋势是用SD卡/TF卡等扩展存储容量；但是近年来的趋势是直接内置大容量Flash芯片而不是外部扩展卡。

        (2)外部扩展卡时间长了卡槽可能会接触不良导致不可靠。

        (3)现在主流的发展方向是使用iNand、MoviNand、eSSD（还有别的一些名字）来做电子产品的存储芯片。这些东西的本质还是NandFlash，内部由Nand的存储颗粒构成，再集成了块设备管理单元，综合了SD卡为代表的各种卡的优势和原始的NandFlash芯片的优势。

        (4)优势：1、向SD卡学习，有统一的接口标准（包括引脚定义、物理封装、接口时序）。2、向原始的Nand学习，以芯片的方式来发布而不是以卡的方式；3、内部内置了Flash管理模块，提供了诸如坏块管理等功能，让Nand的管理容易了起来。

1.5、SSD（固态硬盘）

2.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

        (1)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

        (1)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。

3.SD卡的编程接口

3.1、SD卡的物理接口

        (1)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)数据手册Section8.7，为SD/MMC控制器介绍。

        (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····）

4.S5PV210的SD卡启动详解1

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既可启动；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。

        (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

        (1)问题：iROM究竟是怎样读取SD卡/NandFlash的？

        (2)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。

5.S5PV210的SD卡启动详解2

5.1、SoC支持SD卡启动的秘密（iROM代码）

        (1)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。

5.2、再看iROM application note：block device copy function

5.3、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。

5.4、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。

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