嵌入式知識-ARM裸機-學習筆記（9）：SD卡啓動詳解（S5PV210）
一、SD卡介紹
1. SD卡背景知識和特點
SD卡、MMC卡、MicroSD、TF卡：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。卡都有統一的標準，譬如SD卡都是遵照SD規範來發布的。這些規範規定了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。
MMC標準比SD標準早，SD標準兼容MMC標準。MMC卡可以被SD讀卡器讀寫，而SD卡不可以被MMC讀卡器讀寫。
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）。
)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。
2. SD卡物理接口
SD卡由9個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. SD協議與SPI協議
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後就可以由SoC直接以地址方式來訪問；但是SD卡不能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。
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。
（1）SPI協議特點（低速、接口操作時序簡單、適合單片機）
SPI協議是單片機中廣泛使用的一種通信協議，並不是爲SD卡專門發明的。
SPI協議相對SD協議來說速度比較低。
SD卡支持SPI協議，就是爲了單片機方便使用。（單片機如果想要外部擴展SD卡，SPI協議是最合適的）。
（2）SD協議特點（高速、接口時序複雜，適合有SDIO接口的SoC）
SD協議是專門用來和SD卡通信的。
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。
4. S5PV210的SD/MMC控制器
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，然後從SD卡返回信息給SoC來交互。工作時每一個任務（初始化SD卡、讀一個塊、寫、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，然後再向SD卡發送xx命令····）。
SD卡是支持熱插拔的，也就是有某一個寄存器的某一位用來判斷SD卡是否插入，如果插入了該位置1，證明SD卡插入了；如果該位爲0，證明沒有插入SD卡。
5. 扇區和塊的概念
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爲單位，而是以扇區（相當於一個存儲單元）爲單位。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，也成爲了我們編程時必須遵守的規律。
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，實際上後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），但是因爲原來最早是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，因此後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。
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爲塊設備。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）。
linux裏有個mtd驅動，就是用來管理這類塊設備的。
二、SD卡啓動詳解
1. SD卡與SoC的關係
說到兩者之間的關係，我們需要解決一個問題就是SoC爲什麼要支持SD卡啓動？
一個普遍性的原則就是：SoC支持的啓動方式越多，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。
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，然後刷機後的SD卡插入卡槽，SoC既可啓動；譬如可以用SD卡啓動進行量產刷機（這樣的做法比一個一個用燒錄工具燒錄方便了很多）。像我們X210開發板，板子貼片好的時候，內部iNand是空的，此時直接啓動無啓動；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，然後打到iNand方式啓動；因爲此時iNand是空的所以第一啓動失敗，會轉而第二啓動，就從外部SD2通道的SD卡啓動了。啓動後會執行刷機操作對iNand進行刷機，刷機完成後自動重啓（這回重啓時iNand中已經有image了，所以可以啓動了）。
2. SD卡啓動難點
SRAM、DDR都是總線式訪問的，SRAM不需初始化既可直接使用，而DDR需要初始化後才能使用，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啓動非常簡單，可以直接啓動，但是SD/NandFlash不行。
以前只有Norflash可以作爲啓動介質，臺式機筆記本的BIOS（類似於Uboot）就是Norflash做的。後來三星在2440中使用了SteppingStone的技術，讓Nandflash也可以作爲啓動介質。SteppingStone（翻譯爲啓動基石）技術就是在SoC內部內置4KB的SRAM，然後開機時SoC根據OMpin判斷用戶設置的啓動方式，如果是NandFlash啓動，則SoC的啓動部分的硬件直接從外部NandFlash中讀取開頭的4KB到內部SRAM作爲啓動內容。
隨着該技術的成熟，210中有96KB的SRAM，並且有一段iROM代碼作爲BL0，BL0再去啓動BL1。
3. SD卡啓動過程
210啓動時首先執行內部的iROM（也就是BL0），BL0會判斷OMpin來決定從哪個設備啓動，如果啓動設備是SD卡，則BL0會從SD卡讀取前16KB到SRAM中去啓動執行（這部分就是BL1，這就是steppingstone技術）。BL1執行之後剩下的就是軟件的事情了，SoC就不用再去操心了。
iROM究竟是怎樣讀取SD卡/NandFlash的？
三星在iROM中事先內置了一些代碼去初始化外部SD卡/NandFlash，並且內置了讀取各種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/NandFlash中的BL1的。並且這些function函數可供我們使用。
磁盤和Flash以塊爲單位來讀寫，就決定了我們啓動時device copy function只能以整塊爲單位來讀取SD卡。
利用SD卡啓動分爲兩種情況：
情況一（bin文件小於16KB）：啓動的第一種情況是整個鏡像大小小於16KB。這時候相當於我的整個鏡像作爲BL1被steppingstone直接硬件加載執行了而已。
情況二（bin文件大於17KB ）：啓動的第二種情況就是整個鏡像大小大於16KB。（只要大於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爲2部分：第一部分16KB大小，第二部分是剩下的大小。然後第一部分作爲BL1啓動，負責去初始化DRAM並且將第二部分加載到DRAM中去執行（uboot就是這樣做的）。
4. SD卡啓動代碼分析
對於情況一來說，在啓動時BL0進行判斷完成後，會將全部16KB的bin文件讀取到SRAM中執行，因此不涉及到分散加載的問題，則與之前的實驗做法相同。本文主要針對情況二，也就是bin文件大小大於16KB時，該如何做。
思路： 根據上面的分析，當bin文件大小大於16KB時，需要將鏡像文件拆分爲2部分，第一部分BL1小於等於16KB，第二部分爲任意大小，iROM代碼執行完成後從SD卡啓動會自動讀取BL1到SRAM中執行；BL1執行時負責初始化DDR，然後手動將BL2從SD卡copy到DDR中正確位置，然後BL1遠跳轉到BL2中執行BL2。
因此在BL1中要完成：關看門狗、設置棧、開iCache、初始化DDR、從SD卡複製BL2到DDR中特定位置，跳轉執行BL2。
對於SD卡內部，官方文檔給出了一個推薦的區域劃分：
根據圖我們能得到，最前面要空出來一個扇區，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），長度爲16KB內，我們就定爲16KB（也就是32個block）；BL1理論上可以從33扇區開始，但是實際上爲了安全都會留一些空扇區作爲隔離，例如可以從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長度爲16KB，也就是32扇區）。
DDR初始化好之後，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（因爲我們BL1中只初始化了DDR1，地址空間範圍是0x20000000～0x2FFFFFFF）。
Makefile文件
由於我們將代碼分爲了BL1和BL2兩部分，因此需要一個總的Makefile文件對兩部分代碼實現協同管理。
BL1部分
（1）BL1部分要完成關看門狗、設置棧、開iCache、初始化DDR、從SD卡複製BL2到DDR中特定位置。
因此我們可以在start.S文件中可以完成：
（2）在sd_relocate.c文件中，我們要實現將SD卡中的BL2部分複製到DDR中的特定位置去執行，這裏就用到了重定位的方法。
官方代碼爲了方便我們進行SD卡的讀取操作，實現給了我們一個將SD卡中的內容拷貝到內存中的函數，即爲CopySDMMCtoMem，該函數的地址我們不知道，但是它是通過一個函數起始地址的指針（0xD0037F98）指向了這個函數。
在使用時，我們先將內容轉換爲一個unsigned in *類型，因爲0xD0037F98中就是存了一個int型的數字，這個int類型的數字就是真正的copy函數的首地址，轉換完之後，我們利用 *(地址)的方式對該指針進行解引用，即可定位到該copy函數，並使用它。
typedef bool(pCopySDMMC2Mem)(int, unsigned int, unsigned short, unsigned int, bool); ，相當於我們指定了一個函數指針類型，後面一大部分是函數要傳入的參數，前面表示返回值爲bool類型。
在實際使用時， pCopySDMMC2Mem p1=(pCopySDMMC2Mem)(*(unsigned int *)0xD0037F98); ，將上述函數強制轉換爲這種函數指針類型，然後讓它等於p1。在調用時，我們通過p1(2, SD_START_BLOCK, SD_BLOCK_CNT, (unsigned int *)DDR_START_ADDR, 0); 即可實現函數調用。
BL2部分
（1）在BL1中，我們通過start.s文件中的bl copy_bl2_2_ddr，實現了拷貝函數的調用從而對SD卡中第45扇區開始的32個扇區的拷貝，拷貝到DDR中地址爲0x23E00000的位置。在BL2部分，我們在start.s文件中不再需要對看門狗等任務進行初始化（因爲在BL1中已經做過了），只需要實現一個長跳轉指令，跳轉到DDR的對應位置，繼續執行接下來的操作（BL2）。
（2）由於在BL1中實現了將剩餘代碼拷貝到了DDR上的0x23E00000，因此在鏈接腳本中，需要指定重定位後代碼運行的位置。這個地址一定要和代碼拷貝到的DDR種的地址對應。
根據上述做法可以實現：
（1）iROM，也就是BL0先啓動，判斷OMpin來決定通過SD卡啓動，因此BL0從SD卡讀取前16KB（我們編寫的BL1部分）到SRAM中去啓動執行。
（2）在執行BL1時，會進行start.s中的相應動作，最重要的是在BL1中會初始化DDR和複製BL2部分到DDR中，到這BL1完成了它的任務，並通過p2（）函數跳轉到了DDR的0x23E00000位置的代碼部分。
（3）由於BL2部分的代碼被拷貝到了DDR上的0x23E00000位置，則繼續執行接下來的代碼，在宏觀來看實現了整個代碼的連續。
5. 通過write2s進行燒寫
整個代碼進行make之後會生成一個write2s文件，用於在linux中通過dd命令進行SD卡的燒寫任務。
if=./BL1/BL1.bin：表示輸入文檔爲BL1文件夾下的BL1.bin文件。
of=/dev/sdb：表示輸出目錄爲/dev下的/sdb目錄（也就是對應SD卡的位置）。
seek=1：表示燒寫位置是扇區1。
綜上可以理解爲：將BL1中的bin文件燒寫到SD卡的第1個扇區位置（因爲第0個扇區需要空出來），這一部分是BL1對應的16KB內容。將BL2中的bin文件燒寫到SD卡的第45個扇區的位置，這一部分是多與16KB的部分（之後這部分將會在DDR初始化之後被拷貝到DDR上進行執行）。
因爲我們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。我們的解決方案是使用地址進行強制跳轉。因爲我們知道BL2在內存地址0x23E00000處，所以直接去執行這個地址即可。
如何在linux下進行SD卡燒寫？
燒錄過程：
1.先將SD卡通過讀卡器插到電腦上
2.默認情況是在windows電腦上，所以需要先與虛擬機進行連接（虛擬機->可移動設備->連接，這樣從devices中就可以發現SD卡，通過ls /dev/sd*可以查看，如果有/dev/sdb即成功）
3…/write2sd執行完成，顯示32+0 records in……即爲燒錄成功
總結：
代碼分爲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。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卡啓動和Nand啓動、NorFlash啓動等各種啓動方式。
uboot中的做法：
程序代碼仍然包括BL1和BL2兩部分，但是組織形式上不分爲2部分而是作爲一個整體來組織。它的實現方式是：iROM啓動然後從SD卡的扇區1開始讀取16KB的BL1然後去執行BL1，BL1負責初始化DDR，然後從SD卡中讀取整個程序（BL1+BL2）到DDR中，然後從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）。uboot這種做法的好處是，能夠兼容各種啓動方式。