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[project X] tiny210(s5pv210)上电启动流程(BL0-BL2)

2016-10-24 22:06 330 查看
建议参考文档:

S5PV210-iROM-ApplicationNote-Preliminary-20091126

S5PV210_UM_REV1.1

项目介绍参考

[project X] tiny210 操作说明

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零、说明

本文主要以友善之臂的tiny210板子作说明,使用的是s5pv210核心。

主要集中于以下几个问题:

* 支持哪些存储介质?

* 上电之后的启动流程?分成了几个阶段?具体负责什么功能?

* 各个阶段使用的存储介质是什么?原因?

* 各个阶段的运行地址是什么?

* 镜像存放可能存放在几种存储介质中,如何判断要从哪种存储介质中获取镜像?(也就是启动模式)

本文只介绍non secure boot的情况。也就是说不是在secure环境下,无需做签名处理。

一、和启动相关的硬件介绍

1、可运行存储介质

要先理解一点,运行介质都会在CPU的地址空间上,占用地址空间的一部分。CPU可以根据寻址地址从运行介质从读取一条指令或者一条数据,而并不是说直接在运行介质上执行。

IROM

ROM(Read Only Memory),唯读记忆体。ROM数据不能随意更新,但是在任何时候都可以读取。主要用于存放一些固定的不需要修改的代码或者数据。掉电之后,数据还可以保存。

IROM则是指集成于芯片内部的ROM.

SRAM

SRAM(Static Random Access Memory),即静态随机存取存储器。它是一种具有静止存取功能的内存,不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。

优点,速度快,不必配合内存刷新电路,可提高整体的工作效率。初始化简单。

缺点,集成度低,掉电不能保存数据,功耗较大,相同的容量体积较大,而且价格较高,少量用于关键性系统以提高效率。

SDRAM

由General SDRAM and Controller进行控制。

SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory),同步动态随机存储器,同步是指内存工作需要同步时钟,内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准;动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失;随机是指数据不是线性依次存储,而是自由指定地址进行数据读写。相对于SRAM来说,体积较小且价格偏移。

三者差异简单归纳如下表:

可运行存储介质掉电数据保存情况数据修改访问速度动态刷新电路价格
ROM掉电数据保存不易修改最慢不需要最便宜
SRAM掉电数据丢失可以修改最快不需要最贵
SDRAM掉电数据丢失可以修改需要便宜
补充说明

综上,因为BL0是上电启动代码,固定不变的,所以将其固化在IROM中运行。

因为SRAM是集成在平台内部,BL0阶段之后可以直接使用,但是size比较小。

而SDRAM需要根据外围DDR进行初始化,BL0之后还无法使用,需要在BL1中进行初始化之后才能使用。

故BL1放在SRAM中运行,BL2放在SDRAM中运行。

后续会继续说明。

2、存储介质

SD/MMC/eMMC

nand flash / nor flash / OneNand flash

eSSD

3、tiny210运行介质和存储介质说明

首先看一下对应s5pv210平台和存储相关的硬件支持

64KB的IROM

94KB的内部SRAM

通用SDRAM控制器,用于控制SDRAM

需要外部实现SDRAM.

4/8位高速SD/MMC控制器,用于控制4-bit SD / 4-bit MMC / 4 or 8-bit eMMC

需要外部实现SD/MMC/eMMC

Nand Flash控制器,用于控制nand flash

需要外部实现nand flash

OneNand控制器,用于控制OneNand flash。

需要外部实现OneNand flash

eSSD控制器,用于控制eSSD

需要外部实现eSSD

UART/USB控制器

在s5pv210的基础上,对应tiny210板子上有如下外围硬件:

* 512MB的DDR支持

* 1GB的nand flash支持(K9K8G08U0B)

* SD card接口支持,可以直接支持SD card

综上,tiny210板子上有如下存储介质:

64KB的IROM

94KB的内部SRAM

512MB的DDR

512MB的nand flash支持

SD card(自己插了一个4GB的SD卡)

二、s5pv210 上电启动的几个阶段

注意:以下介绍的启动流程和官方给的启动流程《S5PV210-iROM-ApplicationNote-Preliminary》有所差异,是实际上我在项目中使用的启动流程,也是比较通用的启动流程。

和官方文档中比较大的差异在于,BL2在下面介绍是放在SDRAM中运行,而官方文档《S5PV210-iROM-ApplicationNote-Preliminary》中则是放在IRAM中运行,因为编出来的uboot过大,超过了限制,所以官方文档是不可行的。

1、BL0

运行在IROM上!!!

加载说明

上电后启动的第一个阶段。其代码固化在s5pv210的IROM中,也就是出厂后已经完成,无法进行修改。上电后CPU会直接从IROM上的BL0的代码上开始执行。

主要工作有:

初始化系统时钟、特殊设备的控制器、启动设备、看门狗、堆栈、SRAM等等

验证BL1镜像

从存储介质上(比如SD\eMMC\nand flash)或者通过USB加载BL1镜像到对应内部SRAM上

跳转到BL1镜像所在的地址上

2、BL1

运行在内部SRAM上!!!

加载说明

上电后启动的第二个阶段。BL0阶段会将其镜像或者代码从存储介质上(比如SD\eMMC\nand flash)上加载到内部SRAM上.

主要工作有:

初始化部分时钟(和SDRAM相关)

初始化DDR(外部SDRAM)

从存储介质上(比如SD\eMMC\nand flash)将BL2镜像加载到SDRAM上

验证BL2镜像的合法性

跳转到BL2镜像所在的地址上

3、BL2

运行在外部SDRAM上!!!

加载说明

上电后启动的第三个阶段,BL1阶段会将其镜像或者代码从存储介质上(比如SD\eMMC\nand flash)上加载到外部SDRAM上.

主要功能

BL2就是指传统意义上的bootloader,也就是我们这里的uboot的主体,负责flash操作、uboot命令操作等等,并且最终目标是加载OS和启动OS,如linux。关于uboot的实现,会在后面具体分析,这里不详细说明。

上电到BL2的流程图如下(略过BL2的流程部分)

Created with Raphaël 2.1.0上电,直接执行BL0BL0(IROM)BL0(IROM):初始化系列操作BL0(IROM):加载BL1镜像到SRAM上BL0(IROM):跳转到BL1的地址上BL1(SRAM)BL1(SRAM):初始化SDRAMBL1(SRAM):加载BL2镜像到SDRAM上BL1(SRAM):跳转到BL2的地址上BL2(SDRAM)jump into OS

三、各个阶段在地址空间上的运行位置

1、s5pv210地址空间

参考《S5PV210_UM_REV1.1》 2.1 MEMORY ADDRESS MAP

s5pv210整体地址空间映射表如下:

起始地址结束地址长度映射区域描述
0x0000_00000x1FFF_FFFF512MBBoot area(取决于启动模式)
0x2000_00000x3FFF_FFFF512MBDRAM 0
0x4000_00000x7FFF_FFFF1024MBDRAM 1
0x8000_00000x87FF_FFFF128MBSROM Bank 0
0x8800_00000x8FFF_FFFF128MBSROM Bank 1
0x9000_00000x97FF_FFFF128MBSROM Bank 2
0x9800_00000x9FFF_FFFF128MBSROM Bank 3
0xA000_00000xA7FF_FFFF128MBSROM Bank 4
0xA800_00000xAFFF_FFFF128MBSROM Bank 5
0xB000_00000xBFFF_FFFF256MBOneNAND/NAND Controller and SFR
0xC000_00000xCFFF_FFFF256MBMP3_SRAM output buffer
0xD000_00000xD000_FFFF64KBIROM
0xD001_00000xD001_FFFF64KBReserved
0xD002_00000xD003_7FFF96KBIRAM
0xD800_00000xDFFF_FFFF128MBDMZ ROM
0xE000_00000xFFFF_FFFF512MBSFR region
重点关注如下几个地址空间:

起始地址结束地址长度映射区域描述
0x0000_00000x1FFF_FFFF512MBBoot area(取决于启动模式)
0x2000_00000x3FFF_FFFF512MBDRAM 0
0x4000_00000x7FFF_FFFF1024MBDRAM 1
0xD000_00000xD000_FFFF64KBIROM
0xD002_00000xD003_7FFF96KBIRAM

2、BL0的运行地址

通过文档《S5PV210-iROM-ApplicationNote-Preliminary》位于如下区域

起始地址结束地址长度映射区域描述
0x0000_00000x0000_FFFF64KBInternal ROM
s5pv210上电之后,CPU会直接从0x0地址取指令,也就是直接执行BL0。

3、BL1的运行地址

上述已经说明BL1在IRAM中运行,IRAM空间如下:

起始地址结束地址长度映射区域描述
0xD002_00000xD003_7FFF96KBIRAM
但是并不是说整个IRAM都是给BL1使用的。

BL1使用的部分如下

起始地址结束地址长度映射区域描述
0xD002_00000xD003_5400-BL1代码空间
BL1镜像最大为16KB。

这里有一个注意事项:

BL1是加载在0xD002_0000的位置上(不包括USB启动的方法),并不是说BL1就是从0xD002_0000开始运行的。0xD002_0000开始的16B是用于作为BL1的header。BL1代码的实际运行地址是0xD002_0010

这部分header是用来给BL0验证BL1的镜像的有效性使用的。16B的header格式如下:

地址数据
0xD002_0000BL1镜像包括header的长度
0xD002_0004保留,设置为0
0xD002_0008BL1镜像除去header的校验和
0xD002_000c保留,设置为0
当从存储介质上加载BL1镜像的时候(非UART/USB模式),需要校验这个header和BL1的镜像是否匹配,后续启动模式中会继续说明。

4、BL2的运行地址

上述已经知道BL2在SDRAM的地址空间中运行,SDRAM空间如下:

起始地址结束地址长度映射区域描述
0x2000_00000x3FFF_FFFF512MBDRAM 0
0x4000_00000x7FFF_FFFF1024MBDRAM 1
tiny210的ddr是512M并且使用的是DRAM0的地址空间,故BL2的运行空间是

起始地址结束地址长度映射区域描述
0x2000_00000x3FFF_FFFF512MBDRAM 0
但是在实际使用中,我把uboot加载到了ddr上0x23E0_0000(具体参考CONFIG_SYS_TEXT_BASE的定义)的地址上。

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综上所述,各个阶段的运行地址如下

阶段运行地址
BL00x0000_0000(固定)
BL10xD002_0010(固定)
BL20x3000_0000(可在代码中进行修改)

四、启动模式(如何将对应BL1加载到对应RAM上面)

在上述中,我们知道BL0负责将BL1的镜像加载到对应的地址上。

那么,有一个问题,BL1的镜像可能存放在SD卡,eMMC,Nand flash等存储介质上,也有可能是直接通过USB上写入到对应RAM的地址上。那么,BL0如何判断要从哪里去加载BL1的镜像呢,这就取决于启动模式了。

1、s5pv210支持的启动模式

OneNand Boot模式

在这种模式下,BL0会从OneNAND的page0开始加载,先加载16B的header到0xD002_0000,通过header中的size判断需要读取多少page,然后再加载剩余的page到0xD002_0010上。

最后计算除header外的数据的校验和,和header中的校验和比较,一旦匹配,则跳转到0xD002_0010。

因此,当我们选择这种方式的时候,需要给BL1的镜像加上16B的header,然后以OneNand page0位置开始存放整个镜像。

Nand Boot (with H/W 8/16-Bit ECC)

在这种模式下,BL0会从NAND的page0开始加载,先加载16B的header到0xD002_0000,通过header中的size判断需要读取多少page,然后再加载剩余的page到0xD002_0010上。

最后计算除header外的数据的校验和,和header中的校验和比较,一旦匹配,则跳转到0xD002_0010。

因此,当我们选择这种方式的时候,需要给BL1的镜像加上16B的header,然后以Nand page0位置开始存放整个镜像。

SD / MMC Boot

在这种模式下,BL0会跳过SD的block0,从SD的block1加载,先加载block1到0xD002_0000,通过header中的size判断需要读取多少block,然后再加载剩余的block。

最后计算除header外的数据的校验和,和header中的校验和比较,一旦匹配,则跳转到0xD002_0010。

因此,当我们选择这种方式的时候,需要给BL1的镜像加上16B的header,然后以block1位置开始存放整个镜像。

eSSD Boot

在这种模式下,BL0会跳过eSSD的block0,从eSSD的block1加载,先加载block1到0xD002_0000,通过header中的size判断需要读取多少block,然后再加载剩余的block。

最后计算除header外的数据的校验和,和header中的校验和比较,一旦匹配,则跳转到0xD002_0010。

因此,当我们选择这种方式的时候,需要给BL1的镜像加上16B的header,然后以block1位置开始存放整个镜像。

eMMC Boot

在这种模式下,BL0会从eMMC的block0加载,先加载block0到0xD002_0000,通过header中的size判断需要读取多少block,然后再加载剩余的block。

最后计算除header外的数据的校验和,和header中的校验和比较,一旦匹配,则跳转到0xD002_0010。

因此,当我们选择这种方式的时候,需要给BL1的镜像加上16B的header,然后以block0位置开始存放整个镜像。

UART Boot

在这种模式下,BL0会检测串口数据,并且将其复制到0xD002_0000开始的位置。在PC侧通过DWN软件将镜像通过串口进行写入。

因为这种模式下不需要验证header,一旦下载完成之后,会直接跳转到0xD002_0000进入BL1。

USB Boot

在这种模式下,BL0会检测USB数据,并且将其复制到0xD002_0000开始的位置。在PC侧通过DWN软件将镜像通过USB进行写入。

因为这种模式下不需要验证header,一旦下载完成之后,会直接跳转到0xD002_0000进入BL1。

几个模式的差异如下表格

模式硬件支持BL1镜像存放起始位置BL1镜像是否需要header加载位置跳转位置
OneNand BootOneNand flashpage00xD002_00000xD002_0010
Nand BootNand flashpage00xD002_00000xD002_0010
SD / MMC BootSD / MMCblock10xD002_00000xD002_0010
eSSD BooteSSDblock10xD002_00000xD002_0010
eMMC BooteMMCblock00xD002_00000xD002_0010
UART BootUART0xD002_00000xD002_0000
USB BootUSB0xD002_00000xD002_0000

2、s5pv210选择启动模式的方法

s5pv210通过OM[5:0]这6个引脚的组合来选择对应的启动模式。

具体查看《S5PV210-iROM-ApplicationNote-Preliminary》表格Table4. iROM OM pin description

以下举几个常见的例子

启动方式OM5OM4OM3OM2OM1OM0
SD BOOT001100
Nand 2KB 5cycle (Nand 8bit ECC)000010
Nand 4KB 5cycle (Nand 8bit ECC)000100
Nand 4KB 5cycle (default)(Nand 16bit ECC)000110
优先检测UART\USB模式1-----
注意,当OM5用于决定是否先进入UART\USB模式。如果OM5为0,则直接进入OM[4:0]对应的模式中。

如果OM5为1,则先判断串口是否有响应(因此要进入该模式需要现在DNW软件上打开对应UART下载功能),有响应则进入UART模式,否则,超时,检测是否进入USB模式。

然后判断USB是否有相应(因此要进入该模式需要现在DNW软件上打开对应USB下载功能),有响应则进入USB模式,否则,超时,跳转到OM[4:0]对应的模式中。

3、tiny210支持的启动模式

通过tiny210的原理图《Tiny210-1305-Schematic》上看OM5\OM4\OM0均被拉低为0.而OM[3:1]则有拨码开关S2和反相器来控制其组合。

最终得到tiny210只支持如下两种启动方式

启动方式OM5OM4OM3OM2OM1OM0
SD BOOT001100
Nand 4KB 5cycle (default)(Nand 16bit ECC)000110
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标签:  tiny210 s5pv210 上电