SD卡启动流程是怎样的?

一.主流的外存设备发展及介绍

2017/12/12 23:08
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  1.首先，清楚内存和外存的区别：

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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

  2.存储设备按发展趋势分类：

● 磁存储设备：软盘、硬盘、光盘、CD、磁带
● Flash：NandFlash、NorFlash
缺点：时序复杂，无坏块处理机制，接口不统一
NandFlash：MLC（可靠性差，容量大）、SLC（可靠性高、容量小）
现在基本都在发展MLC技术
● 扩展卡式Flash：SD卡、MMC卡、MicroSD（TF卡）
内部为NnadFlash存储颗粒，外部封装了接口，接口标准统一、通用。
缺点：频繁使用导致卡槽接触不可靠
● iNand、MoviNand、eSSD：
内部为NandFlash芯片，集成块设备存储单元，集成了扩展卡式Flash 的优点
接口标准统一（时序、物理封装、引脚定义），以芯片级封装发布
芯片内部具有Flash管理模块：具有能坏块管理等功能
● SSD：固态硬盘
内部为NandFlash芯片，外部封装为硬盘接口
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  3.SD卡简介

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SD卡是具有大容量、高性能、安全等多种特点的多功能存储卡，它比MMC卡多了一个进行数据著作权保护的暗号认证功能(SDMI规格)，读写速度比MMC卡要快4倍，达2M/秒。
SD插槽支持MMC卡。
SD卡和Nand、Nor等Flash芯片差异
(1)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）
二. SD卡编程接口

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  1.SD卡3种模式的引脚定义

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SD卡的引脚接口支持两种通信协议：SD协议和SPI协议。
SPI协议是单片机中广泛使用的一种通信协议，接口时序简单，是一种低速通信协议。
SD通信协议是一个统一标准的通信协议。SoC通过SD卡的九针引脚以SD/SPI协议向SD卡管理模块发送命令、时钟、数据等信息，需要按照时序处理操作SD卡。
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  2.S5PV210的SD/MMC控制器

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(1)SD协议要求SoC中有SD控制器，数据手册Section8.7，为SD/MMC控制器介绍。
(2)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（譬如初始化SD卡、譬如读一个块、譬如写、譬如擦除····）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····）
三.SD卡启动流程1

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  1.S5PV210的启动过程回顾

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(1)210启动首先执行内部的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（不一定是16，反正16是工作的）到SRAM中去启动执行（这部分就是BL1，这就是steppingstone技术）
(2)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
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  2.SD卡启动流程（bin文件小于16KB时和大于16KB时）

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(1)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。
(2)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）。
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  3.最重要的但是却隐含未讲的东西

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(1)问题：iROM究竟是怎样读取SD卡/NandFlash的？
(2)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。
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  4.S5PV210读取Flash设备数据的方式

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三星系列SoC支持SD卡/NandFlash启动，主要是依靠SteppingStone技术，具体能支持steppingstone技术的是内部的iROM代码。
S5PV210内部iROM内部固化了多个设备拷贝函数，这些函数支持从SD/MMC、eMMC、OneNand、eSSD设备拷贝数据到SDRAM中。
设备拷贝函数说明如下：
● NF8_ReadPage_Adv（0xD0037F90）：2K、4K，8bit总线
● NF16_ReadPage_Adv（0xD0037F94）：2K，5 cycle ，16位总线
● CopySDMMCtoMem（0xD0037F98）：从SD/MMC设备拷贝到SDRAM
● CopyMMC4_3toMem（0xD0037F9C）:从eMMC设备拷贝到SDRAM
● CopyOND_ReadMultiPages（0xD0037FA0）：从OneNand设备拷贝到SDRAM
● CopyOND_ReadMultiPages_Adv（0xD0037FA4）：从OneNand设备拷贝到SDRAM
● Copy_eSSDtoMem（0xD0037FA8）： 从eSSD设备拷贝SDRAM（CPUPIO模式）
● Copy_eSSDtoMem_Adv（0xD0037FAC）：从eSSD拷贝SDRAM（UDMA）
● NF8_ReadPage_Adv128p（0xD0037FB0）：每块128页，每页2K的Nand
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四.S5PV210读取SD卡数据的方式

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  1.CopySDMMCtoMem函数解读：

#define CopySDMMCtoMem(z,a,b,c,e) (((bool(*)(int, unsigned int, unsigned short, unsigned int*, bool))(*((unsigned int *)0xD0037F98)))(z,a,b,c,e))

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● 参数1：SD卡通道,0或者2通道，我们板子SD卡通道为2
● 参数2：块起始地址（块地址）
● 参数3：拷贝块的数量
● 参数4：数据拷贝到什么地址
● 参数5：返回状态

  思考：为什么读取SD卡时以块为单位？

这就涉及到扇区和块的概念，一个扇区有好多个字节（一般是512个字节），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）。
磁盘和Flash以块为单位来读写，就决定了我们启动时只能以整块为单位来读取SD卡。
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  2.使用函数指针调用设备拷贝函数

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第一种方法：宏定义方式来调用。好处是简单方便，坏处是编译器不能帮我们做参数的静态类型检查。
#define CopySDMMCtoMem(z,a,b,c,e)(((bool(*)(int, unsigned int, unsigned short, unsigned int*, bool))(*((unsigned int *)0xD0037F98)))(z,a,b,c,e))

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第二种方法：用函数指针方式来调用。
typedef unsigned int bool;typedef bool(*pCopySDMMC2Mem) (int, unsigned int, unsigned short, unsigned int *, bool);// 实际使用时pCopySDMMC2Mem p1 = (pCopySDMMC2Mem)0xD0037F98;p1(x, x, x, x, x);  // 第一种调用方法，编译器默认就是一个函数指针(*p1)(x, x, x, x, x);   // 第二种调用方法，和上面一样，*p1(x, x, x, x, x); // 错误，因为p1先和()结合，而不是先和*结合。

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五、SD卡启动模式编程

S5PV210启动过程：开发板上电后，BL0执行时会从启动设备加载BL1到iRAM中执行，BL1执行时会初始化SDRAM，将BL2从启动设备拷贝到DDR，然后从BL1远跳转到BL2执行。
总体思路：将我们的代码分为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。
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  BL1阶段工作：

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● 关看门狗
● 设置栈
● 开iCache
● **初始化DDR
● 从SD卡拷贝BL2到DDR
● 远跳转执行BL2**





说明：如图，S5PV210规定BL1从block1开始，BL1长度为16KB内，我们就定为16KB（也就是32个block），即BL1从block1-block32，
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  BL2阶段工作：

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● 跳转到BL2执行时，点亮LED灯。
BL2理论上可以从33扇区开始,但我们为了安全会用一些空扇区作为隔离区，故可以从45扇区开始，定义BL2长度为16KB，也就是32扇区
BL2从block45-block76。BL1的运行地址和链接地址为0xD0020010。
说明：BL2的运行地址为DDR中的地址，因此链接地址需要设定为DDR的地址。
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）
六.uboot中的做法

第二种思路：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）。
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  再来分析uboot的SD卡启动细节

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(1)uboot编译好之后有200多KB，超出了16KB。uboot的组织方式就是前面16KB为BL1，剩下的部分为BL2.
(2)uboot在烧录到SD卡的时候，先截取uboot.bin的前16KB（实际脚本截取的是8KB）烧录到SD卡的block1～bolck32；然后将整个uboot烧录到SD卡的某个扇区中（譬如49扇区）
(3)实际uboot从SD卡启动时是这样的：iROM先执行，根据OMpin判断出启动设备是SD卡，然后从S卡的block1开始读取16KB（8KB）到SRAM中执行BL1，BL1执行时负责初始化DDR，并且从SD卡的49扇区开始复制整个uboot到DDR中指定位置（0x23E00000）去备用；然后BL1继续执行直到ldr pc, =main时BL1跳转到DDR上的BL2中接着执行uboot的第二阶段。
总结：uboot中的这种启动方式比上节讲的分散加载的好处在于：能够兼容各种启动方式。
代码分析：E:Linux13.sd_relocate
在linux下使用dd命令烧录程序，插上SD卡，开发板正常运行看到LED闪烁。





七.遇到的问题：

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  插上分别使用九鼎1烧录好的SD卡和在linux下使用dd命令刷写uboot，启动都没有反应？

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最终问题是SD卡没有启动起
采用的方法是从新刷机，板子刷入安卓系统，由于SD卡无法启动，故采用USB—dnw刷机方式:
刷机分2步：第一步刷x210_u***.bin，地址是0xd0020010;第二步刷uboot.bin，刷机地址是0x23e00000，uboot启动起来后，先fdisk -c 0去重新分区，然后再fastboot….再按照刷机过程刷入系统。
然后重启，等待系统开机完毕
然后破坏开发板iNand中的bootloader以从SD2启动（参考 二.ARM裸机刷系统（SD卡uboot+串口+u*** otg刷机方式）），即解决了这个问题。