【笔记】ARM裸机程序开发_part4

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原创 2024-07-07 00:21:14 746 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

Zynq双核开发避坑指南：如何高效使用SDK进行ARM裸机程序调试（基于Vivado 2021.1）本文详细介绍了Zynq双核开发中的高效调试技巧，重点讲解如何使用SDK进行ARM裸机程序调试。内容涵盖Vivado工程配置优化、SDK调试设置、内存访问诊断、中断调试方法以及双核协同调试策略，帮助开发者提升Zynq-7000系列SoC的开发效率。阅读详情

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=.=

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