【笔记】ARM裸机程序开发_part4

╰半夏微凉° 2022-06-02 01:18 263阅读 0赞

10 SD卡详解

内存和外存的区别：一般是把这种RAM(random access memory,随机访问存储器，特点是任意字节读写，掉电丢失)叫内存，把ROM（read only memory，只读存储器，类似于Flash SD卡之类的，用来存储东西，掉电不丢失，不能随机地址访问，只能以块为单位来访问）叫外存

1.10.1.1、软盘、硬盘、光盘、CD、磁带  
(1)存储原理大部分为磁存储，缺点是读写速度、可靠性等。优点是技术成熟、价格便宜。广泛使用在桌面电脑中，在嵌入式设备中几乎无使用。  
(2)现代存储的发展方向是Flash存储，闪存技术是利用电学原理来存储1和0，从而制成存储设备。所以闪存设备没有物理运动（硬盘中的磁头），所以读写速度可以很快，且无物理损耗。  
1.10.1.2、纯粹的Flash：NandFlash、NorFlash  
(1)这些是最早出现的、最原始的Flash颗粒组成芯片。也就是说NandFlash、NorFlash芯片中只是对存储单元做了最基本的读写接口，然后要求外部的SoC来提供Flash读写的控制器以和Flash进行读写时序。  
(2)缺陷：1、读写接口时序比较复杂。2、内部无坏块处理机制，需要SoC自己来管理Flash的坏块；3、各家厂家的Flash接口不一致，甚至同一个厂家的不同型号、系列的Flash接口都不一致，这就造成产品升级时很麻烦。  
(3)NandFlash分MLC和SLC两种。SLC技术比较早，可靠性高，缺点是容量做不大（或者说容量大了太贵，一般SLC Nand都是512MB以下）；MLC技术比较新，不成熟，可靠性差，优点是容量可以做很大很便宜，现在基本都在发展MLC技术。

1.10.1.3、SD卡、MMC卡、MicroSD、TF卡  
(1)这些卡其实内部就是Flash存储颗粒，比直接的Nand芯片多了统一的外部封装和接口。  
(2)卡都有统一的标准，譬如SD卡都是遵照SD规范来发布的。这些规范规定了SD卡的读写速度、读写接口时序、读写命令集、卡大小尺寸、引脚个数及定义。这样做的好处就是不同厂家的SD卡可以通用。

1.10.1.4、iNand、MoviNand、eSSD  
(1)电子产品如手机、相机等，前些年趋势是用SD卡/TF卡等扩展存储容量；但是近年来的趋势是直接内置大容量Flash芯片而不是外部扩展卡。  
(2)外部扩展卡时间长了卡槽可能会接触不良导致不可靠。  
(3)现在主流的发展方向是使用iNand、MoviNand、eSSD（还有别的一些名字）来做电子产品的存储芯片。这些东西的本质还是NandFlash，内部由Nand的存储颗粒构成，再集成了块设备管理单元，综合了SD卡为代表的各种卡的优势和原始的NandFlash芯片的优势。  
(4)优势：  
1、向SD卡学习，有统一的接口标准（包括引脚定义、物理封装、接口时序）。  
2、向原始的Nand学习，以芯片的方式来发布而不是以卡的方式；  
3、内部内置了Flash管理模块，提供了诸如坏块管理等功能，让Nand的管理容易了起来。

10.2 SD卡的特点和背景知识  
SD卡和MMC  
SD卡是后来的，兼容MMC。Nand芯片无统一的标准接口  
SD卡和TF卡  
SD卡就是TF卡，两者一样  
但习惯上，SD用于数码相机等…，TF卡广泛应用于手机、GPS等  
习惯上认为TF卡小，SD卡大。TF卡可以放进卡套成为SD卡

SD卡大哥认SanDisk！=v=

--------------------

10.3 SD卡的编程接口

SD卡9个引脚连接外接  
6个信号线  
4DAT  
1CLK //SD卡的通信需要时钟，由SOC提供。  
1CMD //管理使用命令发送至管理模块  
2个GND  
1个电源

SD卡与SRAM/DDR/SROM的不同  
SRAM等，以总线方式访问，初始化之后直接\[用地址访问\]  
SD卡需要时序和接口协议

SD支持两种协议：SD协议和SPI协议

SPI协议：  
SPI是单片机中广泛使用的一种通信协议，并不是专门为SD卡使用的  
SD卡兼容SPI，是可以允许单片机通过SPI操作SD卡  
SPI相对SD协议是速度比较低的

SD协议：专门用来和SD卡通信。  
SDIO的运行，要求SoC有SD控制器，而且SoC主频不能太低  
不过话说回来有些wifi芯片也是使用SDIO的呢。。。

SD的热插拔，发现与找到：  
开机，ENABLE INT OF CARD DETECT  
插入 / 拔出 卡槽后  
SOC发了一个信号，发生一个检测中断，即可知道卡来了或者卡走了

现在一般不用单片机驱动SD卡，连stm32都有库。linux、Uboot连驱动都准备好了完全不用动手。

--------------------

10.4 SD卡启动过程详解【非常重要，是将来uboot用到的】

SoC为何要支持SD卡启动  
一个普遍性的原则：SoC支持的启动方式越多，可选择性越大，适用性就越广  
可以不借用专用烧录工具的情况下进行SD卡刷机。  
注意；这里不是说fusing tools，而是指Jlink等烧录工具。对于普通用户来说不用JLink什么的真是太好了。比如安卓手机有两种刷机方式，  
一种称为“线刷”，类似DNW刷机方式  
一种称为“卡刷”，类似SD卡刷机方式

总之：方便量产，方便过程，方便用户

九鼎的板子出厂前做了什么？  
我们的板子出厂时候要先将量产卡插入SD卡槽，然后iNand启动，iNand里面什么都没有于是2nd启动，即SD卡启动。启动后执行刷机操作对iNand进行刷机，完成后自动重启。此时iNand有了image，可以启动了。刷机完成拔掉SD卡，烧机近48小时，再测试测试玩一下，无死机即可装箱发货。

SD卡启动的难点在哪里？  
CPU可以直接访问SRAM、DDR、NorFlash。因为总线式访问。  
但是SD卡不能够，人家SD依赖时序的，cpu是不能直接和SD卡打交道的。  
啊忘了一点，SD卡内部介质就是NandFlash。

NorFlash：台式机笔记本内的BIOS，这个bios类似uboot  
NandFlash：

三星在2440中使用了SteppingStone的技术，让NandFlash也可以作为启动介质。  
这个steppingstone翻译为“启动基石”，在SoC内部内置4kb的SRAM，读取 Nand开头的4KB。  
但是不能在Nand中启动，最后要在SRAM以内启动  
进一步发展：6410得到完善，210芯片时已经完全成熟。

210中 读取iROM（BL0），基本初始化  
判断启动方式  
若启动方式是SD卡：  
BL0读取SD卡前的16KB，引导BL1。

读取启动代码到96KB的SRAM，初始化DRAM，加载系统。

SD卡启动的bin文件大小16KB问题  
第一种情况：镜像大小 <16kb  
相当于整个镜像作为BL1，直接加载  
第二种情况：镜像大小 >16kb  
第一部分16KB作为BL1，初始化DRAM  
第二部分是剩下的，加载到DRAM中执行。uboot就是这样做的

【最重要的：却隐含没有讲的】  
问题：IROM究竟是怎样读取SD卡/NandFlash的？  
三星在iROM中内置了一些代码去初始化nand等外设。BL0执行时是调用device copy function来读取外部的SD卡或者NandFlash中的BL1。  
iROM中的一点代码就好比新车出厂时带的一点油。  
这个代码回头我们还可以用。

--------------------

10.5 SD启动详解2

IROM\_appli全局变量有3个  
globalBlockSize 大小  
globalSDHCInfoBit 型号  
V210\_SDMMC\_BASE 当前启动channel

SDHC SDhigh capacity 高容量SD卡，属于SD卡的扩展版本。  
SD最大2GB  
SDHC最大支持32GB  
SDXC最大支持2TB

device copy function  
CopySDMMCtoMem 里面是一个函数指针

/** * This Function copy MMC(MoviNAND/iNand) Card Data to memory. * Always use EPLL source clock. * This function works at 20Mhz. * @param u32 StartBlkAddress : Source card(MoviNAND/iNand MMC)) Address.(It must block address.) * @param u16 blockSize : Number of blocks to copy. * @param u32* memoryPtr : Buffer to copy from. * @param bool with_init : determined card initialization. * @return bool(u8) - Success or failure. */
    
    #define CopySDMMCtoMem(z,a,b,c,e)(((bool(*)(int, unsigned int, unsigned short, unsigned int*, bool))(*((unsigned int *)0xD0037F98)))(z,a,b,c,e))

这边看文档是看不清楚的，这个要看别人的代码

(int, unsigned int , unsigned short, unsigned int\*, bool）  
channel号  
0或者\[2\] 起始块地址 复制多少块 复制到哪里去 一般给0

扇区和块的概念【重点】  
最早的可编程块设备就是：软盘和硬盘，磁存储设备。存储单元不是以字节为单位，而是以扇区为单位的。

为什么叫扇区？磁盘存的时候是一圈一圈的，磁头在中间旋转。一个磁盘从中心分成6个扇形的区域，这就是扇区，是磁存储的读写最小单元。不能只读取扇区的一部分。这是磁存储本身原因造成的，这是编程时候必须遵守的规则。  
——扇区有多个字节，一般规定扇区上512字节大小，后来有了2048/4096等。

一个扇区可以看做一个“块”，这就是块设备的来源。  
linux中有个mtd驱动，就是用来管理块设备的。  
磁道MDR DBR磁头柱面这些东西，如果写文件系统的话，需要对其了如指掌。

1 宏定义  
\#define CopySDMMCtoMem(z,a,b,c,e)(((bool(*)(int, unsigned int, unsigned short, unsigned int*, bool))(*((unsigned int* )0xD0037F98)))(z,a,b,c,e))  
简单方便  
但是不可以做静态参数检查

2 函数指针  
typedef bool(*pCopySDMMC2Mem)(int, unsigned int, unsigned short, unsigned int*, bool)  
//实际使用  
pCopySDMMC2Mem p1 = (pCopySDMMC2Mem)(*(unsigned int*)0xD0037F98) //绑定函数地址

p1(x,x,x,x,x)  
或者  
(\*p1)(x,x,x,x,x) //p1是函数指针的时候两种调用方法是一样的

下面的任务:  
我们烧录小于16K的情况已经实现了，其实就是前面做的裸机  
在后来遇到大于16K的时候，比如LCD显示图片，这就肯定大于16K了，我们必须想办法搞定大于16K的时候SD卡启动的问题，写代码解决。

--------------------

10.7 SD卡启动实战

九鼎给我们的烧录程序给我们隐藏了一些烧录的细节  
linux中的脚本可以帮我们做同样的事，writesd文件  
“seek = 1”意思是从block1开始烧录  
SD卡刚开始的时候Block0是“reserved”，这部分三星规定不能用

16KB是32个扇区，0扇区禁用，1-32存放BL1  
BL2理论上可以从33扇区开始，但实际上为了安全会留出一部分比如从50开始。

all:
        make -C ./BL1       //-C进入当前子目录去make
        make -C ./BL1
    clean:
        ...

另外一个细节，DDR初始化之后，DDR就可以用了，这个时候要选择一段长度足够BL2的空间即可  
我们选择0x23E0 0000，这个地址是因为uboot使用了这个地址

注意！我们只初始化了0x2000 0000~0x2FFF FFFF。共512M

要操作的几点：（可能不全，备忘）  
1 BL1 , BL2文件夹创建好，里面各自弄好makefile  
BL1工作到初始DDR结束  
2 makefile中名字记得改Bootloader1.bin ，Bootloader2.bin  
3 BL1链接脚本地址 = 0x0，其实就是0xd0020010。这是开头吗  
4 在总工程里添加sd\_relocate.c文件，使用device copy fun  
从50扇区开始，我们往里写32扇区  
5 writesd脚本中的if=…路径记得要./BL1….

第一步：读取sd卡扇区到DDR中  
(int, unsigned int , unsigned short, unsigned int\*, bool）  
channel号  
0或者\[2\] 起始块地址 复制多少块 复制到哪里去 一般给0  
【2】 【45】 【32】 【0x23E0 0000】 0  
第二步：跳转到DDR的BL2中执行  
我们的BL1 BL2是属于两个程序，是不能ldr pc, =main跳转的，怎么办呢？  
我们使用地址强制跳转！【这个我想过来了23333】

//定义一个函数指针
    typedef void(*pBL2TYPE)(void)
    ...
    pBL2TYPE   P = (pBL2TYPE)0x23E0 0000;   
    p();
    BL1完成！

BL2中的start.s  
只需要调用//run on dram程序就可以了  
ldr pc , =led\_blink，这个函数名字要改，以后再说。

要操作的几点：（可能不全，备忘）  
1 Makefile中删除添加头的部分  
删除gcc..后面的东西，只需要arm-linux-gcc编译和链接  
BL2中没有头了嘛，这个很容易理解。

--------------------

SD烧录有好处有坏处  
SD卡连接linux，先插卡  
在VMWARE，虚拟机选项中选择SD卡  
ls /dev/sd\*  
设备就是/dev/sdb sdb1是第一个分区，一般只有一个分区  
如果不是sdb记得去writesd脚本中修改

./writesd

老师上节课出错，排错的方法很精髓，使用了bl led，卡住可能出现问题的语句  
有一个错误是这样的：  
原语句  
pCopySDMMC2Mem p1 = (pCopySDMMC2Mem)0xD0037F98  
正确写法（前面已经更正）

pCopySDMMC2Mem p1 = (pCopySDMMC2Mem)(*(unsigned int*)0xD0037F98)  
这里少了一个层次  
函数本体不在D0037F98，现在的情况是函数不在这里，这里还是个指针  
D0037F98存放了另一个地址，另一个地址需要\*0xD0037F98才能取到。注意~

【课程总结】  
代码分成两部分，这种技术称为分散加载。BL1和BL2是完全分开的，可以解决问题，但是比较麻烦。而且另一个缺陷是无法让工程同时支持SD卡启动、Nand启动等

第二种思路：程序代码仍然包括BL1/BL2，但组织时作为一个整体。  
实现方式是：  
irom启动，从SD卡读取16KB的BL1执行，初始化DDR  
然后从SD卡中读取整个程序（BL1+BL2）到DDR中，到DDR中执行  
DDR执行的时候使用长跳转来执行。  
是SRAM中运行的BL1跳转到DDR中运行的BL2  
这个就是uboot的启动方式。

【关于uboot】  
uboot编译之后有200多K，前16KB为BL1，剩下的是BL2。烧录的时候，先截取uboot.bin的前16KB烧录到SD卡的block1-32，然后将整个uboot烧录到SD卡某个扇区，比如49扇区。  
uboot在SD启动时，  
<第一阶段>  
1 irom先执行，OMpin判断启动方式为SD卡  
2 在SD卡的block1读取16KB到SRAM执行BL1，初始化DDR  
3 并且BL1从sd卡的49扇区复制整个uboot到DDR（0x23e00000）备用  
4 然后BL1继续执行直到 ldr pc, =main时BL1跳转到BL2中执行uboot第二阶段

uboot其实不是很难，难是觉得他的结构很复杂，他跟linux内核相比真的是一个天上一个地下，所以不需要觉得uboot很难。

uboot启动的启动方式可以是万能的，SD能启动，NAND可以启动，USB也可以。  
这就是uboot的优势所在。

--------------------

10.8 解决x210的软开关问题  
软启动原理，在bv3底板上  
MP1482是一个稳压元件，有个ENABLE引脚，就是让芯片工作或不工作，EN为高有输出，为低就没有输出。这个引脚电平可控。

相关因素有3个，硬件知识【暂时跳过不写！】

为什么要软启动？  
一般设计用拨码开关做开关电源，设计简单，但是电路太简单  
不能做休眠模式和低功耗方式。

EINT0是复用的，一个是GPIO。另一个是PS\_HOLD\_CONTROL，属于GPIO子功能  
在s5pv210裸机教程.pdf中有对这方面软开关置锁的说明。  
其中一个位PS\_HOLD\_OUT\_EN如果为1了，那么这个GPIO就被强占了

分析：启动置锁，只需要将bit0，8，9置1即可  
非常简单，只要给PS\_HOLD\_CONTROL的bit089写1即可按下松手不断电。  
而且放的越往前越好，干脆第0步，放在WDT之前

ldr r0 , 0xe010e81c
        ldr r1 , [r0]   //不直接ldr r1, #301，是因为便于升级
        orr r1, r1, #300 
        orr r1, r1, #1 //分两步orr：是因为#301是非法立即数
        str r1, [r0]

我们置锁了，power键就不能用了，想要关机就按reset

--------------------

11 Nand和iNand

NandFlash接口：有一部分数据线和一部分控制线  
型号命名含义  
示例：K9F2G08  
K9F 三星公司的Nand  
2G 表示Flash大小是2Gbit = 256MB  
08 表示是8位的，即数据线有8根  
数电知识：  
字母上面有横线，代表低电平开启。  
—  
R/B 代表高电平R状态，低电平B状态  
R：ready B：busy  
Nand的数据位  
有8位的和16位的，看到时候我们要注意。可以看出Nand是一个并行器件。  
数据上不一定全部是存储的有效数据，也有可能是地址或命令

Nand的功能框图  
NandFlash可以看成一个矩阵式存储器，其中分成多个小块，彼此以一定单位组成整个Nand  
块设备，不能一次精确到位。只能按块访问是物理上的障碍。

Nand可以被访问的最小单元是“page”，中文名是页  
单词访问：一次读写，至少要读写一个page，读取的是page的整数倍。  
page的大小是2KB+64B  
那么每次至少要读写2KB，或者读n x 2KB，没有更小的单元了。  
【典型的块设备】  
注意：现在有些块设备为了方便，提供了一个random read模式，可以读一个位，这是非典型的

页往上还有一个单位，叫做“Block”，块  
一个Block包括多个页  
在我们K9F08中 1个block = 64个page  
块往上就是整个Nand  
1个device = 2048个block

读写是的最小单位是页！擦除的最小单位是块

--------------------

iNand

Nand的缺点：  
每一个不同公司的nand产品甚至一个产品的不同型号可能有多个块，一个块有多少个页、一个页大小可能是大页2048、小页512种种不同，结构非常混乱。一旦升级或者换芯片就会软硬件重新升级移植，非常麻烦。如此inand产生了。  
以后肯定会向inand/EMMC方向发展。

带内数据和带外数据  
Nand的每个页由两部分组成：2KB+64B，两者都是存储空间，但有不同  
2K 带内数据 ：真正的存储空间，存有效数据 （计算容量时只考虑这个）  
64B 带外数据 ：不存有效数据，是作附加用途的譬如存储ECC数据、坏块标志等。  
ECC：error correction code，错误校验码。  
坏块标志：定义64B的其中一个位，用以标记一个块是好的还是坏的  
（往往由文件系统定义固定位）  
NandFlash相比NorFlash，本身出错概率高，容易位反转。明明是1读成0。所以将有效信息存储到Nand中时，都会同时按照一定算法计算ECC信息。（比如CRC16）将ECC信息同时存储到带外数据区。读取数据时，会再通过读出数据计算一次ECC并且校验；校验通过则证明Nand数据可信，否则校验失败，只能丢弃或尝试修复。  
坏块：是不可避免的。出现了无法擦除或无法读写的情况。而且随着使用，坏块会越来越多。为了管理Nand，底层的软件发明了一种坏块标志机制。访问时出现了坏块就跳过这个块，其他的照用不误。

NAND的地址时序  
4或者5cycle，通过IO发送给芯片对nand进行寻址。寻址最小单位是字节。【读写是页】  
我们要按照特定时序和顺序依次写入。

Nand的命令码：1st+2nd cycle  
按照Nand接口给Nand发送命令、地址、数据  
命令就按照命令码发送。  
譬如读操作：1st发00h 2nd发30h  
写代码：发80h，写命令、地址、数据，发10h

--------------------

nand的常见操作

坏块检查思路：  
统一把块擦除。擦干净应该是0xff  
读各个块内容  
不是0xff则再来一次，仍不是是坏块

页写操作：  
确保页是干净的。否则会出错。  
write 在 flash中就是program

Nand结构：矩阵存储颗粒+接口电路 —- 连接SOC的nand控制器

【Nand没有学的很透，代码需要参考=.=】

--------------------

讲SD卡和Nand的时候，学单片机的时候会讲的非常细致，我们学嵌入式要高一个层次，暂时不需要搞的特别详细。  
210不是stm32，是没有库的。库是以驱动的形式给我们封装了。  
嵌入式最主要的任务是重在联络各个硬件设备。

iNand/eMMC的物理接口  
注意：iNand接口就是eMMC标准接口

iNand结构：也是 矩阵存储颗粒+接口电路 —- 连接SOC的nand控制器  
不同之处在于接口电路功能不同  
1 iNand的接口电路功能很复杂，遵从eMMC接口协议和外部通信。此外提供ECC校验相关的逻辑，SoC对此不用自己写代码，大大简化了编程难度。ECC是个非常麻烦的事情，有60多个寄存器。<这是最大的进步>  
2 iNand接口电路提供了icache，提高了速度。要发就发，要收就收，不需要代码校验。

iNand芯片内部使用MLC，性价比高。
    接口非常简单，8数据线，1时钟线，1命令线。和S5PV210的SD卡物理接口对比，都是1时钟线，1命令线，此处接线是非常类似的，没有Nand那么多那么复杂。我们实际操作iNand的时候，和SD卡相比几乎是一样的。物理是一样的，软件操作也是几乎一样的。
    【iNand几乎就是芯片化的SD卡】
    
    我们的代码几乎就是以前的 SD卡，全局上有80-90%是相同的。

我们的开发板支持4通道SD/MMC，实际0通道接了iNand，2通道和3通道接了SD卡。  
这个设计在项目中很常用哦！我记得冲击点系统中的iNand，甚至还有USB都与此相似啊喂=.=