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

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

===================================================================

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：

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快需要便宜

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）

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：

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：

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

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：

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：

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：

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：

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

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。

=========================================== 
综上所述,各个阶段的运行地址如下：

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

OneNand BootOneNand flashpage0是0xD002_00000xD002_0010
Nand BootNand flashpage0是0xD002_00000xD002_0010
SD / MMC BootSD / MMCblock1是0xD002_00000xD002_0010
eSSD BooteSSDblock1是0xD002_00000xD002_0010
eMMC BooteMMCblock0是0xD002_00000xD002_0010
UART BootUART无否0xD002_00000xD002_0000
USB BootUSB无否0xD002_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

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

SD BOOT001100
Nand 4KB 5cycle (default)(Nand 16bit ECC)000110
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