逸珺 · 2020年10月26日

剖析基于nanoPC-T3的U-Boot移植过程

首发:嵌入式客栈
作者:逸珺

  导读:前文对U-Boot架构设计做了分析,本文来梳理一下U-Boot在具体板子上的移植工作,主要记录整体思路、要点,以触类旁通而记之。

1.收集Boot相关信息

NanoPC-T3 是友善之臂为企业用户设计的主板,采用三星八核Cortex -A53架构的S5P6818处理器。其主要技术参数:

  • CPU: S5P6818, 动态运行主频400Mhz--1.4GHz  8核
  • DDR3 RAM: 1GB,采用2片K4B4G1646D
  • SD: 标准SD卡槽一个
  • eMMC:8GB
  • HDMI: HDMI 1.4a, Type A型口,1080P高清显示
  • DVP Camera接口: 24pin, 0.5mm间距,FPC贴片竖座
  • GPIO扩展接口: 4个UART, 1路I2C, 1路SPI, 3路PWM,9个GPIO

详细参见http://www.arm9.net/nanopc-t3.asp

  1. 1SOC Boot相关信息

需要将采用该SOC的方式以U-Boot引导,那么首先应该将Boot的相关信息进行收集分析。

支持的Boot模式:

  • 外部静态存储器ExternalStatic Memory Boot

    image.png

复位首条指令直接从外部静态存储器引导。

  • 内部ROM boot
  • NAND boot with Error Correction
  • SD/MMC/SDFS (SD FAT File system) boot
  • SPI Serial EEPROM boot
  • UART boot
  • USB Boot

自< SEC\_S5P6818X\_Users\_Manual\_preliminary\_Ver\_0.00.pdf>

image.png

SOC内置了20KB的iROMBOOT,这是一段固化的boot程序,通过识别外部Boot配置进入相应的Boot模式,完成内部boot到用户boot程序的第一阶段Boot。

从datasheet 看见该SOC内部实现了iROMBOOT,而SPL(Secondaryprogramloader)是u-boot第一阶段执行的代码。主要负责搬移u-boot第二阶段的代码到。iROMBOOT已经实现了这一功能,故不需要用户实现SPL了。

1.2 NanoPC-T3 板级信息

由于boot一般与板子的设计配置相关,大多由IO口配置进行选择,既然支持上述如何之多的Boot模式,那么拿到的板子又支持哪些引导模式呢?

image.png
可见nanoPC T3仅支持SDMMC Boot模式,进入对应的章节,可看出支持三个SD通道。通过从SD存储卡,MMC存储卡和eMMC中读取iROMBOOT并通过使用SDHC模块将其加载到内存中,iROMBOOT执行用户启动代码。此方法称为SDHCBOOT。SDCLK输出400 kHz用于识别,输出24 MHz用于数据传输。

image.png

SD3已经电路下拉为低:

  • 默认CAM1\_D3为高,用户boot通道默认为CH0,电路板设计为SD卡

image.png

SD卡是(secure digital memory card)安全数码卡,是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备,是在MMC基础上发展起来的,其内部存储介质大都为NAND Flash增加了两个主要特色:

可以设置所存储的使用权限,防止数据被他人复制;第二是传输速度比2.11版mmc卡快。

特性:

1)可选通信协议:SD模式和SPI模式

2)可变时钟频率:0~25MHz

3)通信电压范围:2.0~3.6V

4)数据寿命:10万次编程/擦除

5)正向兼容MMC卡;

6)运行在25M的频率上,数据带宽是4位,因此最大传输速率是12.5MHz(12.5兆字节每秒) <自百度知道>

image.png
eMMC (Embedded Multi Media Card)是MMC协会订立、主要针对手机或平板电脑等产品的内嵌式存储器标准规格。eMMC在封装中集成了一个控制器,提供标准接口并管理闪存,使得手机厂商就能专注于产品开发的其它部分,并缩短向市场推出产品的时间。其内部存储介质大都为NAND Flash。

image.png
硬件地址空间:

该SOC具有两个内存控制器:

  • MCU-A:DDR3 / LVDDR3(低压DDR3)/ LPDDR3 / LPDDR2
  • MCU-A由DREX和DDRPHY组成
  • 支持DDR3 /LVDDR3(低压DDR3)/ LPDDR3 / LPDDR2内存
  • 支持2 GB的8/16/32位SDRAM
  • 单个存储区(32位数据总线宽度)
  • 支持掉电模式
  • 支持自我刷新模式
  • MCU-S:静态存储器
  • 静态内存
  • Static两个静态存储芯片选择
  • NAND闪存接口
  • 23位地址支持使用锁存器地址
  • SLC NAND,带ECC的MLC NAND(支持BCH算法)
  • 静态内存映射阴影

image.png

板上网口采用什么芯片需要,RTL8211E-VB-CG   集成 10/100/1000M 以太网收发器,显示接口:RGB LCD接口/HDMI

至此,第一阶段收集了那些为移植需要准备的信息?

  • S5P6818 ,8核,armv8,64位SOC
  • Boot模式,SDMMC Boot模式,支持两个通道,默认通道Ch0板载eMMC, 按住Boot 按键,CH0:SD Boot,不需要SPL
  • 内存地址:0x40000000—7FFF FFFF  1G DDR3(2片K4B4G1646D 4Gbit/chip)
  • 控制台:UART0
  • 网口:RTL8211E-VB-CG  集成10/100/1000M 以太网收发器。
  • LCD:RGB LCD接口/HDMI

2.移植

2.1 明确移植内容

在具体实施之前,首先须总体上明确How to do:

image.png

2.2明确Boot流程

明确Boot流程,需要明确有哪些地方需要根据所选SOC,板级硬件设计做出移植:

image.png

如前文分析,u-boot的启动流程主要分亮部分。

第一阶段:芯片复位,执行复位跳转,从自各自芯片的start.S开始执行汇编代码

一般而言,start.S 位于- arch/ic\_xxx/cpu/start.S

如:

- arch/arm/cpu/armv7/start.S

- arch/powerpc/cpu/mpc83xx/start.S

-arch/mips/cpu/start.S

为什么这是复位入口呢?这取决于如何链接,由u-boot.lds指定:

链接文件位于./arch/arm/cpu/armv8/u-boot.lds

注:因为nanoPC-T3 S5P6818的SOC是一颗8核A53核,A53是armv8架构。

第二阶段:lowlevel\_init(),board\_init\_f(),board\_init\_r():

lowlevel\_init():

  • 目的:允许执行达到oard\_init\_f()的基本初始化
  • 没有global\_data或BSS。
  • 没有堆栈(ARMv7可能有一个堆栈,但是很快就会被删除)
  • 不得设置SDRAM或使用控制台
  • 必须只做最少的工作,以允许执行继续到board\_init\_f()
  • 几乎不需要
  • 从此函数正常返回

board\_init\_f():

  • 目的:初始化CPU运行环境以准备运行board\_init\_r():即初始化SDRAM和UART
  • global\_data可用
  • 堆栈位于SRAM中
  • BSS不可用,因此您不能使用全局/静态变量,只能使用堆栈变量和global\_data
  • 非SPL特定说明:
  • 调用dram\_init()设置DRAM。 如果已经在SPL中完成,则无法执行任何操作
  • SPL特定说明:
  • 可以根据需要使用自己的版本覆盖整个board\_init\_f()函数。
  • preloader\_console\_init()可以在依据需要调用
  • 须初始化SDRAM,以及初始化UART
  • -不需要清除BSS段,由crt0.S完成
  • -必须从此函数正常返回(不要直接调用board\_init\_r())

此处清除了BSS。对于SPL,如果定义了CONFIG\_SPL\_STACK\_R,则此时将堆栈和global\_data重定位到CONFIG\_SPL\_STACK\_R\_ADDR之下。 对于非SPL,U-Boot被重定位以在内存顶部运行。

board\_init\_r():

  • 目的:主要执行,通用代码
  • global\_data可用
  • SDRAM可用
  • BSS可用,可以使用所有静态/全局变量
  • 执行最终继续到main\_loop() 
  • 非SPL特定说明:
  • U-Boot重定位到内存顶部,并且现在从那里开始运行。 
  • SPL特定说明:
  • 如果定义了CONFIG\_SPL\_STACK\_R并且

    CONFIG\_SPL\_STACK\_R\_ADDR指向SDRAM,则堆栈可选地位于SDRAM中

  • 在这里可以调用preloader\_console\_init()-通常是通过定义CONFIG\_SPL\_BOARD\_INIT然后提供包含此调用的spl\_board\_init()函数来完成的
  • 加载U-Boot或(在falcon模式下)Linux

以上关于lowlevel\_init(),board\_init\_f(),board\_init\_r()翻译自./README

这里有几个概念需要进一步解析,方便下面理解:

  • 堆(heap):堆的管理由C库实现的,Linux中是一般由Glibc,取决于选用什么C库。内存的获取与释放由程序员通过调用C库中的malloc/free进行操作,C库中的动态内存管理单元具体实现。大体上在工程中指定堆的大小,C库中的堆管理器将这片内存进行动态管理,这里需要用到一些数据结构算法对这片内存区进行动态管理。如果要对堆的管理实现进行分析,可以参考glibc的源代码。
  • 栈(stack):由编译器实现栈的管理,由编译器自动分配释放 ,存放函数的参数值,局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。

堆/栈的大小由下面的宏定义:

image.png

  • CONFIG\_SYS\_MALLOC\_LEN    指定堆大小
  • CONFIG\_SYS\_RESERVE\_MEM\_SIZE/ CONFIG\_SYS\_MALLOC\_LEN 一起指定栈大小

Stack size= CONFIG\_SYS\_RESERVE\_MEM\_SIZE-

                   CONFIG\_SYS\_MALLOC\_LEN

如下图所示:

image.png
这几个宏定义了内存上界、堆上下界、栈的上下界有编译器、C库实现越界保护机制。

global\_data:

image.png

该结构体收集板子的基本信息,内存,名称,CPU时钟,环境变量,标准IO,设备驱动句柄等等。

红色部分信息将堆分配情况与U-Boot全局数据结构关联。

  • bss段:bss段(bss segment)通常是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域。bss是英文Block Started by Symbol的简称。bss段属于静态内存分配。
  • data段:数据段(data segment)通常是指用来存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域。  数据段属于静态内存分配。
  • text段:代码段(code segment/text segment)通常是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。  这部分区域的大小在程序运行前就已经确定,并且内存区域通常属于只读(某些架构也允许代码段为可写,即允许修改程序)。在代码段中,也有可能包含一些只读的常数变量,例如字符串常量等。

    一个程序本质上由这三个段由链接器链接而成。

2.3 创建板子文件

位置board/my\_vendor/my\_board/my\_board.c, 对于nanoPC-T3而言

./board/s5p6818/nanopi3/ board.c

image.png

  • dram\_init 实现内存初始化
  • board\_init 实现GPIO初始化、启动设备初始化等操作,这与板子的硬件息息相关。

    需声明DECLARE\_GLOBAL\_DATA\_PTR指针,因为本模块需要对gd成员进行初始化,ARM32等价于r9寄存器,ARM64等价于寄存器x18

image.png

位于./arch/arm/include/asm/global\_data.h

2.4 创建Kconfig配置文件

board/my\_vendor/my\_board/Kconfig

需定义Kconfig对于board需要的相关变量SYS\_BOARD,SYS\_VENDOR,SYS\_CONFIG\_NAME。

由于S5P6818是一颗64位芯片,那么32位/64位将变成可选配置。故这里新创建了S5P6818\_FEATURES用以配置32位/64位,当取值为no表示为32位配置。

  • SYS\_BOARD,SYS\_VENDOR 用于给kuild识别在那个board,verder目录需去编译相应源文件
  • SYS\_CONFIG\_NAME 用于给kuild识别在哪里去寻找板子头文件

include/configs/SYS\_CONFIG\_NAME.h

image.png

2.6 创建板子Makefile

board/my\_vendor/my\_board/Makefile 对nanoPC-T3而言:

obj-y:=board.o hwrev.o onewire.o lcds.o

由于需要实现LCD以及单线触摸控制器,则需要将上述文件编译。

2.7 创建板子defconfig

configs/my\_board\_defconfig, 对nanoPC-T3而言:

s5p6818\_nanopi3

\_defconfig

对于新版的U-boot已支持make menuconfig,可以运行该命令进行其他配置,然后将生成的.config文件拷贝至此。

mv .config ./configs/s5p6818\_nanopi3\_defconfig

主要裁剪支持的驱动,以及shell命令等

注:旧版本的U-Boot使用boards.cfg添加板子。

2.8 创建板子头文件

include/confi gs/my\_board.h,对nanoPC-T3而言:

include/confi gs/ s5p6818\_nanopi3.h
pc.jpeg

 环境变量:

image.png

这些定义由./common下环境变量管理模块负责维护,其结构体定义如下,主要为字符串常量。

image.png

2.8 引导分析

为了能够重新映射内存,U-Boot随后跳至其链接地址。为了能够在C中实现初始化代码,在内部双端RAM中设置了一个(很小的)初始堆栈(如果CPU提供了诸如MPC8xx或MPC8260之类的功能),或者在数据的锁定部分中缓存。之后,U-Boot初始化CPU内核,缓存和SIU。

接下来,使用初步映射来映射所有可用的存储体。例如,将它们放在512 MB边界上(0x20000000的倍数:0x00000000和0x20000000上的SDRAM,0x40000000和0x60000000上的Flash,0x80000000上的SRAM)。然后,将UPMA编程用于SDRAM访问。使用临时配置,将运行简单的内存测试,以确定SDRAM存储区的大小。

如果有多个SDRAM存储区,并且存储区的大小不同,则首先映射最大的存储区。对于相等的大小,将首先映射第一个存储区(CS2#)。第一个映射始终是针对地址0x00000000的,后面紧跟着任何其他存储区以创建从0开始的连续存储器。

然后,监视器将自身安装在SDRAM区域的高端,并分配内存供malloc()和全局Board Info数据使用;同样,将异常矢量代码复制到低RAM页面中,并建立最终堆栈。

只有在此重定位之后,才能拥有“正常”的C环境。由于受到多种方式的限制,主要是因为从ROM运行,并且必须将代码重定位到RAM中的新地址运行。

至于上述过程重定向,主要利用链接绑定以实现符号表位置可知,从将u-boot映象拷贝到内存可实现运行切换。

/*指定输出格式elf64-littleaarch64*/

而在./arch/arm/lib/sections.c 定义了对应的全局符号,这样就实现了链接地址绑定:

char __bss_start[0] __attribute__((section(".__bss_start")));

下面对crt0\_64.S 汇编代码做简要注释帮助理解重定向过程:

ENTRY(_main) /*声明入口*/

总结:

  • 思路须清楚,不要一开始关注细节
  • 采用渐进明细、逐步迭代的方法论
  • u-boot 其核心在于将系统成功引导。

_END_—

推荐阅读
关注数
2829
内容数
158
分享一些在嵌入式应用开发方面的浅见,广交朋友
目录
极术微信服务号
关注极术微信号
实时接收点赞提醒和评论通知
安谋科技学堂公众号
关注安谋科技学堂
实时获取安谋科技及 Arm 教学资源
安谋科技招聘公众号
关注安谋科技招聘
实时获取安谋科技中国职位信息