基于nanoPC-T3的U-Boot移植过程梳理

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
• …

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

   

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>

 

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？

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。

 

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

 

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>

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。

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

 

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：

 

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：

 

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：

 

• 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

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：

 

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

 

• 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

 

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

 

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

 环境变量：

 

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。

 

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。

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审核编辑 黄昊宇