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逸珺 · 2022年04月13日

剖析基于nanoPC-T3的U-Boot移植过程

嵌入式系统Arm 开发板

  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...

1.1 SOC 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
    036ea0f5824a162a0dc04d94b0d84d5f.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>

ec56bc51599cbf14bedab568e9c2080c.png
6458112bc41dcf463a96c319c9adc34b.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？
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从上图中可看出：
2012310b55f8c435dfc91c99805088a7.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。

55d0dbdcd128a5fd5984c12cc34f34a1.png

那么如何进入对应的通道呢？

5964e734e64d8fbec447f0d13ba29f53.png

b89cef348f24e52277046ba2e07b23cd.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
    894bb5348ae3421de1b857a78b3d0c8d.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>
4116196401a1e13e91c68ceb4441aad6.png

  • 按住BOOT按键，将板子上电，此时用户boot通道为SD CH2，此时为板载eMMC
    b04b3119136a80bbb6d77aca6bccb248.jpg

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。
bbed63f9210b9b28a0b6f79d12ce1690.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

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故地址空间为：0x4000 0000—7FFF FFFF

开发调试需要实现串口交互，那么串口是哪一个？
8b7a74ae3b47020cecb274ffb4a380f9.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：

4ba504c0e5532588f089170db559401b.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：
7d9d890fea934d4d7715d69f2adefc10.jpg

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：

dedf697884224ae1516ee609cbe54c6e.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：
e6f0fd7921577fdaeda60f91f42148bb.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：
00dbc5de3f3de62c03db66eee5599908.jpg

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

8d540e92ac9437612251e11dcb238800.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

cf69072086fe015236a2e95f2c11b2a2.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
bc889e176bd7b234b2da1f9a89dcda96.png

其工作原理如下：

5f7b5bb93a2550eec6e7da705c469da4.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
1649821106(1).png

 环境变量：
034dd37fc274474c13d254c4b6d98d39.jpg

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。

2e4f12da37f1ba4dbf06beb4dda31a67.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*/
OUTPUT_FORMAT("elf64-littleaarch64", "elf64-littleaarch64", "elf64-littleaarch64")
OUTPUT_ARCH(aarch64) /*指定arch类型*/
ENTRY(_start) /*指定入口为start.o
SECTIONS
{
  . = 0x00000000;/**/

  . = ALIGN(8);/*64位 故应8字节对齐*/
  .text : /*text段*/
  {
    *(.__image_copy_start) /*映象拷贝起始位置*/
    CPUDIR/start.o (.text*)
    *(.text*)
  }

  /*定义只读数据段*/
  . = ALIGN(8);
  .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }

  . = ALIGN(8);
  .data : {/*定义数据段*/
    *(.data*)
  }

  . = ALIGN(8);

  . = .;
  /* .u_boot_list：所有以u_boot_list名称开始的段，
   都链接于此，主要是一些uboot 命令相关代码； 
    KEEP关键字是为了保证所有的段都被加进来，
     SORT表示按照u_boot_list*后的段名子进行排序
  */
  . = ALIGN(8);
  .u_boot_list : {
    KEEP(*(SORT(.u_boot_list*)));
  }

  . = ALIGN(8);
/*__image_copy_ end存放了一个地址，取值待链接时确定，
  相当于创建一个位置标签；
  代表程序重定位(relocate)时拷贝的结束地址 */
  .image_copy_end :
  {
    *(.__image_copy_end)
  }

  . = ALIGN(8);
/* 
  此处含义与__image_copy_start相同，定义一个位置标签，
  表示重定位时全局变量的LABLE的起始地址；
  关于重定位代码的说明需要另外说明
  */
  .rel_dyn_start :
  {
    *(.__rel_dyn_start)
  }
  /*.rel.dyn：存放重定位代码时全局变量的位置信息*/
  .rela.dyn : {
    *(.rela*)
  }

 /*  __rel_dyn_end存放了一个地址，取值待链接时确定，
  相当于创建一个位置标签；
  表示重定位时全局变量的LABLE的结束地址
   */
  .rel_dyn_end :
  {
    *(.__rel_dyn_end)
  }
  /*.end代码结束段*/
  _end = .;

  . = ALIGN(8);
  /*bss段起始*/
  .bss_start : {
    KEEP(*(.__bss_start));
  }

  .bss : {
    *(.bss*)
     . = ALIGN(8);
  }

 /*bss段结束*/
  .bss_end : {
    KEEP(*(.__bss_end));
  }

  /*.dynstr动态连接符号表的字符串部分，与.dynsym联用*/
  /DISCARD/ : { *(.dynsym) }
  /DISCARD/ : { *(.dynstr*) }
  /DISCARD/ : { *(.dynamic*) }

  /DISCARD/ : { *(.plt*) } /*过程连接表(Procedure Linking Table)*/
  /DISCARD/ : { *(.interp*) }
  /DISCARD/ : { *(.gnu*) }
}

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")));
char __bss_end[0] __attribute__((section(".__bss_end")));
char __image_copy_start[0] __attribute__((section(".__image_copy_start")));
char __image_copy_end[0] __attribute__((section(".__image_copy_end")));
char __rel_dyn_start[0] __attribute__((section(".__rel_dyn_start")));
char __rel_dyn_end[0] __attribute__((section(".__rel_dyn_end")));
char __secure_start[0] __attribute__((section(".__secure_start")));
char __secure_end[0] __attribute__((section(".__secure_end")));
char _end[0] __attribute__((section(".__end")));

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*/
/*
 * Set up initial C runtime environment and call board_init_f(0).
 */
 /*利用load/store指令装载
   CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR地址 给SP指针
   为调用board_init_f创建C运行环境*/
#if defined(CONFIG_SPL_BUILD) && defined(CONFIG_SPL_STACK)
  ldr  x0, =(CONFIG_SPL_STACK)
#else
  ldr  x0, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)
#endif
  bic  sp, x0, #0xf  /* 16-byte alignment for ABI compliance */
  bl  board_init_f_mem
  mov  sp, x0

  mov  x0, #0
  bl  board_init_f /*调用board_init_f*/
/*
注：B或BL指令引起处理器转移到“子程序名”处开始执行。
两者的不同之处在于BL指令在转移到子程序执行之前，
将其下一条指令的地址拷贝到R14（LR,链接寄存器）。
由于BL指令保存了下条指令的地址，因此使用指令
“MOV PC ,LR”即可实现子程序的返回。而B指令则无
法实现子程序的返回，只能实现单纯的跳转。 用户在
编程的时候，可根据具体应用选用合适的子程序调用语句。*/

/*如果SPL没有使能*/
#if !defined(CONFIG_SPL_BUILD)
/*
 * Set up intermediate environment (new sp and gd) and call
 * relocate_code(addr_moni). Trick here is that we'll return
 * 'here' but relocated.
 */
  ldr  x0, [x18, #GD_START_ADDR_SP]  /* x0 <- gd->start_addr_sp */
  bic  sp, x0, #0xf  /* 16-byte alignment for ABI compliance */
  ldr  x18, [x18, #GD_BD]    /* x18 <- gd->bd */
  sub  x18, x18, #GD_SIZE    /* new GD is below bd */

  adr  lr, relocation_return
  ldr  x9, [x18, #GD_RELOC_OFF]  /* x9 <- gd->reloc_off */
  add  lr, lr, x9  /* new return address after relocation */
  ldr  x0, [x18, #GD_RELOCADDR]  /* x0 <- gd->relocaddr */
  b  relocate_code

relocation_return:

/* Set up final (full) environment  */
  bl  c_runtime_cpu_setup    /* still call old routine */

/* TODO: For SPL, call spl_relocate_stack_gd() to 
 alloc stack relocation */

/* Clear BSS section */
  ldr  x0, =__bss_start    /* this is auto-relocated! */
  ldr  x1, =__bss_end      /* this is auto-relocated! */
  mov  x2, #0
clear_loop:
  str  x2, [x0]
  add  x0, x0, #8
  cmp  x0, x1
  b.lo  clear_loop

  /* call board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr) */
  mov  x0, x18        /* gd_t */
  ldr  x1, [x18, #GD_RELOCADDR]  /* dest_addr */
  b  board_init_r      /* PC relative jump */

  /* NOTREACHED - board_init_r() does not return */

#endif /* !CONFIG_SPL_BUILD */

ENDPROC(_main)

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。
首发：嵌入式客栈
作者：逸珺

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