嵌入式知识-ARM裸机-学习笔记（9）：SD卡启动详解（S5PV210）
一、SD卡介绍
1. SD卡背景知识和特点
SD卡、MMC卡、MicroSD、TF卡：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。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。
MMC标准比SD标准早，SD标准兼容MMC标准。MMC卡可以被SD读卡器读写，而SD卡不可以被MMC读卡器读写。
SD卡/MMC卡等卡类有统一的接口标准，而Nand芯片没有统一的标准（各家产品会有差异）。
)SD卡有写保护而TF卡没有，TF卡可以通过卡套转成SD卡使用。
2. SD卡物理接口
SD卡由9个针脚与外界进行物理连接，这9个脚中有2个地，1个电源，6个信号线。
3. SD协议与SPI协议
SD卡与SRAM/DDR/SROM之类的东西的不同：SRAM/DDR/SROM之类的存储芯片是总线式的，只要连接上初始化好之后就可以由SoC直接以地址方式来访问；但是SD卡不能直接通过接口给地址来访问，它的访问需要按照一定的接口协议（时序）来访问。
SD卡虽然只有一种物理接口，但是却支持两种读写协议：SD协议和SPI协议。
（1）SPI协议特点（低速、接口操作时序简单、适合单片机）
SPI协议是单片机中广泛使用的一种通信协议，并不是为SD卡专门发明的。
SPI协议相对SD协议来说速度比较低。
SD卡支持SPI协议，就是为了单片机方便使用。（单片机如果想要外部扩展SD卡，SPI协议是最合适的）。
（2）SD协议特点（高速、接口时序复杂，适合有SDIO接口的SoC）
SD协议是专门用来和SD卡通信的。
SD协议要求SoC中有SD控制器，运行在高速率下，要求SoC的主频不能太低。
4. S5PV210的SD/MMC控制器
SD卡内部除了存储单元Flash外，还有SD卡管理模块，我们SoC和SD卡通信时，通过9针引脚以SD协议/SPI协议向SD卡管理模块发送命令、时钟、数据等信息，然后从SD卡返回信息给SoC来交互。工作时每一个任务（初始化SD卡、读一个块、写、擦除····）都需要一定的时序来完成（所谓时序就是先向SD卡发送xx命令，SD卡回xx消息，然后再向SD卡发送xx命令····）。
SD卡是支持热插拔的，也就是有某一个寄存器的某一位用来判断SD卡是否插入，如果插入了该位置1，证明SD卡插入了；如果该位为0，证明没有插入SD卡。
5. 扇区和块的概念
早期的块设备就是软盘硬盘这类磁存储设备，这种设备的存储单元不是以字节为单位，而是以扇区（相当于一个存储单元）为单位。磁存储设备读写的最小单元就是扇区，不能只读取或写部分扇区。这个限制是磁存储设备本身物理方面的原因造成的，也成为了我们编程时必须遵守的规律。
一个扇区有好多个字节（一般是512个字节）。早期的磁盘扇区是512字节，实际上后来的磁盘扇区可以做的比较大（譬如1024字节，譬如2048字节，譬如4096字节），但是因为原来最早是512字节，很多的软件（包括操作系统和文件系统）已经默认了512这个数字，因此后来的硬件虽然物理上可能支持更大的扇区，但是实际上一般还是兼容512字节扇区这种操作方法。
一个扇区可以看成是一个块block（块的概念就是：不是一个字节，是多个字节组成一个共同的操作单元块），所以就把这一类的设备称为块设备。常见的块设备有：磁存储设备硬盘、软盘、DVD和Flash设备（U盘、SSD、SD卡、NandFlash、Norflash、eMMC、iNand）。
linux里有个mtd驱动，就是用来管理这类块设备的。
二、SD卡启动详解
1. SD卡与SoC的关系
说到两者之间的关系，我们需要解决一个问题就是SoC为什么要支持SD卡启动？
一个普遍性的原则就是：SoC支持的启动方式越多，将来使用时就越方便，用户的可选择性就越大，SoC的适用面就越广。
SD卡有一些好处：譬如可以在不借用专用烧录工具（类似Jlink）的情况下对SD卡进行刷机，然后刷机后的SD卡插入卡槽，SoC既可启动；譬如可以用SD卡启动进行量产刷机（这样的做法比一个一个用烧录工具烧录方便了很多）。像我们X210开发板，板子贴片好的时候，内部iNand是空的，此时直接启动无启动；板子出厂前官方刷机时是把事先做好的量产卡插入SD卡卡槽，然后打到iNand方式启动；因为此时iNand是空的所以第一启动失败，会转而第二启动，就从外部SD2通道的SD卡启动了。启动后会执行刷机操作对iNand进行刷机，刷机完成后自动重启（这回重启时iNand中已经有image了，所以可以启动了）。
2. SD卡启动难点
SRAM、DDR都是总线式访问的，SRAM不需初始化既可直接使用，而DDR需要初始化后才能使用，但是总之CPU可以直接和SRAM/DRAM打交道；而SD卡需要时序访问，CPU不能直接和SD卡打交道；NorFlash读取时可以总线式访问，所以Norflash启动非常简单，可以直接启动，但是SD/NandFlash不行。
以前只有Norflash可以作为启动介质，台式机笔记本的BIOS（类似于Uboot）就是Norflash做的。后来三星在2440中使用了SteppingStone的技术，让Nandflash也可以作为启动介质。SteppingStone（翻译为启动基石）技术就是在SoC内部内置4KB的SRAM，然后开机时SoC根据OMpin判断用户设置的启动方式，如果是NandFlash启动，则SoC的启动部分的硬件直接从外部NandFlash中读取开头的4KB到内部SRAM作为启动内容。
随着该技术的成熟，210中有96KB的SRAM，并且有一段iROM代码作为BL0，BL0再去启动BL1。
3. SD卡启动过程
210启动时首先执行内部的iROM（也就是BL0），BL0会判断OMpin来决定从哪个设备启动，如果启动设备是SD卡，则BL0会从SD卡读取前16KB到SRAM中去启动执行（这部分就是BL1，这就是steppingstone技术）。BL1执行之后剩下的就是软件的事情了，SoC就不用再去操心了。
iROM究竟是怎样读取SD卡/NandFlash的？
三星在iROM中事先内置了一些代码去初始化外部SD卡/NandFlash，并且内置了读取各种SD卡/NandFlash的代码在iROM中。 BL0执行时就是通过调用这些device copy function来读取外部SD卡/NandFlash中的BL1的。并且这些function函数可供我们使用。
磁盘和Flash以块为单位来读写，就决定了我们启动时device copy function只能以整块为单位来读取SD卡。
利用SD卡启动分为两种情况：
情况一（bin文件小于16KB）：启动的第一种情况是整个镜像大小小于16KB。这时候相当于我的整个镜像作为BL1被steppingstone直接硬件加载执行了而已。
情况二（bin文件大于17KB ）：启动的第二种情况就是整个镜像大小大于16KB。（只要大于16KB，哪怕是17KB，或者是700MB都是一样的）这时候就要把整个镜像分为2部分：第一部分16KB大小，第二部分是剩下的大小。然后第一部分作为BL1启动，负责去初始化DRAM并且将第二部分加载到DRAM中去执行（uboot就是这样做的）。
4. SD卡启动代码分析
对于情况一来说，在启动时BL0进行判断完成后，会将全部16KB的bin文件读取到SRAM中执行，因此不涉及到分散加载的问题，则与之前的实验做法相同。本文主要针对情况二，也就是bin文件大小大于16KB时，该如何做。
思路： 根据上面的分析，当bin文件大小大于16KB时，需要将镜像文件拆分为2部分，第一部分BL1小于等于16KB，第二部分为任意大小，iROM代码执行完成后从SD卡启动会自动读取BL1到SRAM中执行；BL1执行时负责初始化DDR，然后手动将BL2从SD卡copy到DDR中正确位置，然后BL1远跳转到BL2中执行BL2。
因此在BL1中要完成：关看门狗、设置栈、开iCache、初始化DDR、从SD卡复制BL2到DDR中特定位置，跳转执行BL2。
对于SD卡内部，官方文档给出了一个推荐的区域划分：
根据图我们能得到，最前面要空出来一个扇区，BL1在SD卡中必须从Block1开始（Block0不能用，这个是三星官方规定的），长度为16KB内，我们就定为16KB（也就是32个block）；BL1理论上可以从33扇区开始，但是实际上为了安全都会留一些空扇区作为隔离，例如可以从45扇区开始，长度由自己定（实际根据自己的BL2大小来分配长度，我们实验时BL2非常小，因此我们定义BL2长度为16KB，也就是32扇区）。
DDR初始化好之后，整个DDR都可以使用了，这时在其中选择一段长度足够BL2的DDR空间即可。我们选0x23E00000（因为我们BL1中只初始化了DDR1，地址空间范围是0x20000000～0x2FFFFFFF）。
Makefile文件
由于我们将代码分为了BL1和BL2两部分，因此需要一个总的Makefile文件对两部分代码实现协同管理。
BL1部分
（1）BL1部分要完成关看门狗、设置栈、开iCache、初始化DDR、从SD卡复制BL2到DDR中特定位置。
因此我们可以在start.S文件中可以完成：
（2）在sd_relocate.c文件中，我们要实现将SD卡中的BL2部分复制到DDR中的特定位置去执行，这里就用到了重定位的方法。
官方代码为了方便我们进行SD卡的读取操作，实现给了我们一个将SD卡中的内容拷贝到内存中的函数，即为CopySDMMCtoMem，该函数的地址我们不知道，但是它是通过一个函数起始地址的指针（0xD0037F98）指向了这个函数。
在使用时，我们先将内容转换为一个unsigned in *类型，因为0xD0037F98中就是存了一个int型的数字，这个int类型的数字就是真正的copy函数的首地址，转换完之后，我们利用 *(地址)的方式对该指针进行解引用，即可定位到该copy函数，并使用它。
typedef bool(pCopySDMMC2Mem)(int, unsigned int, unsigned short, unsigned int, bool); ，相当于我们指定了一个函数指针类型，后面一大部分是函数要传入的参数，前面表示返回值为bool类型。
在实际使用时， pCopySDMMC2Mem p1=(pCopySDMMC2Mem)(*(unsigned int *)0xD0037F98); ，将上述函数强制转换为这种函数指针类型，然后让它等于p1。在调用时，我们通过p1(2, SD_START_BLOCK, SD_BLOCK_CNT, (unsigned int *)DDR_START_ADDR, 0); 即可实现函数调用。
BL2部分
（1）在BL1中，我们通过start.s文件中的bl copy_bl2_2_ddr，实现了拷贝函数的调用从而对SD卡中第45扇区开始的32个扇区的拷贝，拷贝到DDR中地址为0x23E00000的位置。在BL2部分，我们在start.s文件中不再需要对看门狗等任务进行初始化（因为在BL1中已经做过了），只需要实现一个长跳转指令，跳转到DDR的对应位置，继续执行接下来的操作（BL2）。
（2）由于在BL1中实现了将剩余代码拷贝到了DDR上的0x23E00000，因此在链接脚本中，需要指定重定位后代码运行的位置。这个地址一定要和代码拷贝到的DDR种的地址对应。
根据上述做法可以实现：
（1）iROM，也就是BL0先启动，判断OMpin来决定通过SD卡启动，因此BL0从SD卡读取前16KB（我们编写的BL1部分）到SRAM中去启动执行。
（2）在执行BL1时，会进行start.s中的相应动作，最重要的是在BL1中会初始化DDR和复制BL2部分到DDR中，到这BL1完成了它的任务，并通过p2（）函数跳转到了DDR的0x23E00000位置的代码部分。
（3）由于BL2部分的代码被拷贝到了DDR上的0x23E00000位置，则继续执行接下来的代码，在宏观来看实现了整个代码的连续。
5. 通过write2s进行烧写
整个代码进行make之后会生成一个write2s文件，用于在linux中通过dd命令进行SD卡的烧写任务。
if=./BL1/BL1.bin：表示输入文档为BL1文件夹下的BL1.bin文件。
of=/dev/sdb：表示输出目录为/dev下的/sdb目录（也就是对应SD卡的位置）。
seek=1：表示烧写位置是扇区1。
综上可以理解为：将BL1中的bin文件烧写到SD卡的第1个扇区位置（因为第0个扇区需要空出来），这一部分是BL1对应的16KB内容。将BL2中的bin文件烧写到SD卡的第45个扇区的位置，这一部分是多与16KB的部分（之后这部分将会在DDR初始化之后被拷贝到DDR上进行执行）。
因为我们BL1和BL2其实是2个独立的程序，链接时也是独立分开链接的，所以不能像以前一样使用ldr pc, =main这种方式来通过链接地址实现远跳转到BL2。我们的解决方案是使用地址进行强制跳转。因为我们知道BL2在内存地址0x23E00000处，所以直接去执行这个地址即可。
如何在linux下进行SD卡烧写？
烧录过程：
1.先将SD卡通过读卡器插到电脑上
2.默认情况是在windows电脑上，所以需要先与虚拟机进行连接（虚拟机->可移动设备->连接，这样从devices中就可以发现SD卡，通过ls /dev/sd*可以查看，如果有/dev/sdb即成功）
3…/write2sd执行完成，显示32+0 records in……即为烧录成功
总结：
代码分为2部分，这种技术叫分散加载。这种分散加载的方法可以解决问题，但是比较麻烦。分散加载的缺陷：第一，代码完全分2部分，完全独立，代码编写和组织上麻烦；第二，无法让工程项目兼容SD卡启动和Nand启动、NorFlash启动等各种启动方式。
uboot中的做法：
程序代码仍然包括BL1和BL2两部分，但是组织形式上不分为2部分而是作为一个整体来组织。它的实现方式是：iROM启动然后从SD卡的扇区1开始读取16KB的BL1然后去执行BL1，BL1负责初始化DDR，然后从SD卡中读取整个程序（BL1+BL2）到DDR中，然后从DDR中执行（利用ldr pc, =main这种方式以远跳转从SRAM中运行的BL1跳转到DDR中运行的BL2）。uboot这种做法的好处是，能够兼容各种启动方式。
