Cortex-A5处理器在加载Linux内核前到底做了什么？

@[toc]作者：ZHangZMo
作者：ZHangZMo

本专题将图文详解SAMA5D2-Cortex-A5内核处理器，在上电后直到加载Linux内核之前到底做了哪些操作，帮助了解处理器的启动过程，特别是针对Nand Flash启动配置、Flash PMECC参数配置做了详细图解。

1. 上电运行MPU内部集成的boot ROM

boot ROM作为第一级bootloader首先会初始化处理器时钟(Processor Clock - CPU_CLK)和主时钟(Master Clock - MCK)，主RC Oscillator(时钟发生器模块)会通过快速启动来唤醒整个系统，这时主时钟MAINCK这块也是使用RC Oscillator，由PMC(Power Management Controller)负责将MAINCK作为CPU Clock(CPU_CLK)和Master Clock(MCK).

接着初始化PLLA锁相环，将系统频率倍频到756MHz并等待PLLA倍频后的频率能够稳定工作,此时PMC里的处理器时钟控制器(Processor Clock Controller)会选择PLLA的输出作为CPU Clock(CPU_CLK)和Master Clock(MCK)的输入时钟源.

在boot ROM运行时其他模块工作时钟频率.

boot ROM随后读取启动配置字(Boot Confguration Word)来决定系统工作模式:

• (1) 从安全熔丝控制器SFC(Secure Fuse Controller)读取启动配置字(Boot Confguration Word).
• (2) 检查是否禁止访问BSCR寄存器(Boot Sequence Configuration Controller Register) - DISABLE_BSCR = 1为真，则执行步骤(3)，否则执行步骤(4).
• (3) 从安全熔丝控制器SFC读取启动控制字，配置字读取流程结束。
• (4) 读取BSC_CR寄存器(Boot Sequence Configuration Controller Register)
• (5) 判断读取的BSC_CR的值里面BUREG_VALID(BUREG_INDEX数据是否有效)比特位是否为1，不为1则执行步骤(6)，否则执行步骤(7).
• (6) 直接以SFC里面的启动配置字(Boot Confguration Word)作为系统启动配置
• (7) 读取BSC_CR的值里面BUREG_INDEX[1:0]的值(取值范围是0~3)，执行步骤(8)
• (8) 读取BUREG_n(n就是BUREG_INDEX[1:0]的值)，比如n=1则直接取BUREG_1的值，作为系统启动配置字。

Boot Configuration Word启动配置字的作用如下:

• 配置NVM所在外设的管脚IOSET组合(例如eMMC0接口选择IOSET0组合)
• 禁止boot使用的外设模块(例如禁止boot时使用eMMC0接口)
• 配置UART用于串口打印输出口
• 配置JTAG口所在的管脚用于调试

启动配置字(Boot Confguration Word)解析:

• 默认值为0，系统只选择从eMMC0和eMMC1启动
• 在调试阶段可以覆盖默认的启动配置字，需保持VDDBU一直供电且DISABLE_BSCR值为0(默认值)，且往BUGREG_INDEXn和BUREGn写入有效值

• 也可以将需要修改的启动配置字写入fuse，这是一次性的操作(需慎重)
• 启动配置字Boot Confguration Word寄存器

• QSPI_0[1:0]，配置QSPI0选择哪组IOSETn

• QSPI_0[1:0]值为0，则配置QSPI0选择IOSET1(QSPI0功能放在PA2上)

• QSPI_0[1:0]值为1，则配置QSPI0选择IOSET2(QSPI0功能放在PA16上)

手动更改启动配置字(Boot Confguration Word)操作步骤如下:

• 读取BSCR寄存器操作命令(Boot Sequence Configuration Controller Register)

sam-ba -p serial -d sama5d29 -a bootconfig -c readcfg:bscr 

• 使能BUREGn寄存器操作命令(使能Backup Register 0)

sam-ba -p serial -d sama5d29 -a bootconfig -c writecfg:bscr:bureg0,valid 

• 写BUREGn寄存器操作命令(更新Backup Register 0 - UART1和JTAG都采用IOSET1)

sam-ba -p serial -d sama5d29 -a bootconfig -c writecfg:bureg0:UART1_IOSET1,JTAG_IOSET1 

boot ROM接着将完成下述初始化操作:

• 为Arm supervisor模式配置好系统堆栈.
• PLLA 的初始化
• Master Clock的选择: 当PLLA稳定后Master Clock从内部12 MHz RC切换到PLLA，接着轮询PMC状态寄存器直到MCK能够稳定，此时系统的主时钟就切换成PCK和MCK。
• C运行环境的初始化: 变量的拷贝（从ROM拷贝到内部SRAM）和初始化操作。

2. boot ROM从外部存储NVM中寻找有效的第二级bootloader - at91bootstrap并加载到芯片内部SRAM中运行(没找到at91bootstrap则转为SAM-BA Monitor模式等待sam-ba命令连接)

在NVM中寻找有效的第二级bootloader，包括以下的操作：

• ARM中断向量表的检测 - 适合于Nand、SPI/QSPI Flash启动
• boot.bin文件的检测 - 适合eMMC/SD卡启动，寻找FAT分区里的boot.bin文件

• 预留的中断向量表6会在编译at91bootstrap的时候就自动插入生成的at91bootstrap文件的大小。
  

3. at91bootstrap完成系统时钟、DDR控制器等初始化
4. at91bootstrap加载U-Boot到外部DDR并运行

boot ROM从外部存储中寻找第二级bootloader过程如下：

boot ROM从Nand Flash中寻找第二级bootloader过程如下：

• 在对Nand Flash控制器进行初始化后并向Nand Flash发送复位命令后，boot ROM程序读取Nand Flash第一页数据并且不进行ECC检查，然后对读取的数据进行判断是否包含有Nand Flash参数的有效头文件在里面。
• 这个有效头文件会连续出现52次，由一个32bit长度的word类型构成，包含Nand Flash页的配置、PMECC参数等，这些信息将会帮助读取后面Nand Flash其他数据。
• 如下图连续出现52次的0xC0902405

Nand Flash第一页中读取到的有效头文件含义如下：

• Bits 31:28 key[3:0] - 出现的值必须为0xC，用去确认整个word字的有效性.
• Bits 26:18 eccOffset[8:0] – 第一个ECC字节在空闲区间出现的偏移地址.
• Bits 17:16 sectorSize[1:0] – ECC Sector的大小，0对应512，1对应为1024.
• Bits 15:13 eccBitReq[2:0] – 所需要多少位的ECC, 0对应2bit ECC/1对应4bit ECC/2对应8bit ECC/3对应12bit ECC/4对应24bit ECC/5对应32bit ECC.
• Bits 12:4 spareSize[8:0] – Nand Flash每个page空闲区间(OOB)大小(字节).
• Bits 3:1 nbSectorPerPage[2:0] - 每页包含多少个Sectors,Sectors数量的2^n.
• Bit 0 usePMECC - 是否使用PMECC，1表示使用PMECC功能(开启Nand ECC功能).

参考前面给出的0xC0902405有效头文件，我们可以得到以下信息：

• key值对应没问题(为0xC)
• eccOffset的值为36
• sectorSize值为0-对应sector大小为512字节
• eccBitReq值为1-对应需要4bit ECC.
• spareSize值为64-对应Nand Flash每个page空闲区间大小为64字节.
• nbSectorPerPage值为2-对应每页包含2^2个Sectors(即为4).
• usePMECC为1表示启用PMECC功能

复习一下ECC校验位大小和ECC占用字节的关系：

• ECC纠正能力 vs OOB占用空间

ECC纠正能力	512字节每sector	1024字节每sector
2bit	4 Bytes	4 Bytes
4bit	7 Bytes	7 Bytes
8bit	13 Bytes	14 Bytes
12bit	20 Bytes	21 Bytes
24bit	39 Bytes	42 Bytes

• OOB占用空间分布图

OOB
	ff	ff	ff	ff	ff	ff	ff	ff
	ff	ff	ff	ff	ff	ff	ff	ff
	ff	ff	ff	ff	ff	ff	ff	ff
	ff	ff	ff	ff	ff	ff	ff	ff
	ff	ff	ff	ff	4d	3e	2c	5a
	4e	5f	6c	4b	55	2a	1f	7e
	bd	f3	0f	32	90	56	68	d7
	2e	bd	4b	02	59	19	3b	01

现在Nand Flash page大小为2048，sector大小为512，则每个page分为4个sector(2048/512)，且采用4bit ECC纠错能力，则每个sector ECC校验数据需要在OBB中占用7 Bytes空间，则每个page一共占用74=28字节空间。ECC校验数据在OBB中存放的起始位置为64-47=36，和前面提到的eccOffset值为36就对应上了。