首發：嵌入式客棧
作者：逸珺

導讀：前文對U-Boot架構設計做了分析，本文來梳理一下U-Boot在具體板子上的移植工作，主要記錄整體思路、要點，以觸類旁通而記之。

1.收集Boot相關信息

NanoPC-T3 是友善之臂為企業用戶設計的主板，采用三星八核Cortex -A53架構的S5P6818處理器。其主要技術參數：

• CPU: S5P6818, 動態運行主頻400Mhz--1.4GHz 8核
• DDR3 RAM: 1GB，采用2片K4B4G1646D
• SD: 標準SD卡槽一個
• eMMC：8GB
• HDMI: HDMI 1.4a, Type A型口，1080P高清顯示
• DVP Camera接口: 24pin, 0.5mm間距，FPC貼片豎座
• GPIO擴展接口: 4個UART, 1路I2C, 1路SPI, 3路PWM,9個GPIO
• …

1. 1SOC Boot相關信息

需要將采用該SOC的方式以U-Boot引導，那么首先應該將Boot的相關信息進行收集分析。

支持的Boot模式：

• 外部靜態存儲器ExternalStatic Memory Boot

復位首條指令直接從外部靜態存儲器引導。

• 內部ROM boot
• NAND boot with Error Correction
• SD/MMC/SDFS (SD FAT File system) boot
• SPI Serial EEPROM boot
• UART boot
• USB Boot

自< SEC/_S5P6818X/_Users/_Manual/_preliminary/_Ver/_0.00.pdf>

SOC內置了20KB的iROMBOOT，這是一段固化的boot程序，通過識別外部Boot配置進入相應的Boot模式，完成內部boot到用戶boot程序的第一階段Boot。

從datasheet 看見該SOC內部實現了iROMBOOT，而SPL（Secondaryprogramloader）是u-boot第一階段執行的代碼。主要負責搬移u-boot第二階段的代碼到。iROMBOOT已經實現了這一功能，故不需要用戶實現SPL了。

1.2 NanoPC-T3 板級信息

由于boot一般與板子的設計配置相關，大多由IO口配置進行選擇，既然支持上述如何之多的Boot模式，那么拿到的板子又支持哪些引導模式呢？

可見nanoPC T3僅支持SDMMC Boot模式，進入對應的章節，可看出支持三個SD通道。通過從SD存儲卡，MMC存儲卡和eMMC中讀取iROMBOOT并通過使用SDHC模塊將其加載到內存中，iROMBOOT執行用戶啟動代碼。此方法稱為SDHCBOOT。SDCLK輸出400 kHz用于識別，輸出24 MHz用于數據傳輸。

SD3已經電路下拉為低：

• 默認CAM1/_D3為高，用戶boot通道默認為CH0，電路板設計為SD卡

SD卡是（secure digital memory card）安全數碼卡，是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備，是在MMC基礎上發展起來的，其內部存儲介質大都為NAND Flash增加了兩個主要特色:

可以設置所存儲的使用權限，防止數據被他人復制；第二是傳輸速度比2.11版mmc卡快。

特性：

1）可選通信協議：SD模式和SPI模式

2）可變時鐘頻率：0~25MHz

3）通信電壓范圍：2.0~3.6V

4）數據壽命：10萬次編程/擦除

5）正向兼容MMC卡；

6）運行在25M的頻率上，數據帶寬是4位，因此最大傳輸速率是12.5MHz(12.5兆字節每秒) <自百度知道>

eMMC (Embedded Multi Media Card）是MMC協會訂立、主要針對手機或平板電腦等產品的內嵌式存儲器標準規格。eMMC在封裝中集成了一個控制器，提供標準接口并管理閃存，使得手機廠商就能專注于產品開發的其它部分，并縮短向市場推出產品的時間。其內部存儲介質大都為NAND Flash。

硬件地址空間：

該SOC具有兩個內存控制器：

• MCU-A：DDR3 / LVDDR3（低壓DDR3）/ LPDDR3 / LPDDR2
• MCU-A由DREX和DDRPHY組成
• 支持DDR3 /LVDDR3（低壓DDR3）/ LPDDR3 / LPDDR2內存
• 支持2 GB的8/16/32位SDRAM
• 單個存儲區（32位數據總線寬度）
• 支持掉電模式
• 支持自我刷新模式
• MCU-S：靜態存儲器
• 靜態內存
• Static兩個靜態存儲芯片選擇
• NAND閃存接口
• 23位地址支持使用鎖存器地址
• SLC NAND，帶ECC的MLC NAND（支持BCH算法）
• 靜態內存映射陰影

板上網口采用什么芯片需要，RTL8211E-VB-CG 集成 10/100/1000M 以太網收發器，顯示接口：RGB LCD接口/HDMI

至此，第一階段收集了那些為移植需要準備的信息？

• S5P6818 ，8核，armv8,64位SOC
• Boot模式，SDMMC Boot模式，支持兩個通道，默認通道Ch0板載eMMC, 按住Boot 按鍵，CH0:SD Boot，不需要SPL
• 內存地址：0x40000000—7FFF FFFF 1G DDR3(2片K4B4G1646D 4Gbit/chip)
• 控制臺：UART0
• 網口：RTL8211E-VB-CG集成10/100/1000M 以太網收發器。
• LCD：RGB LCD接口/HDMI

2.移植

2.1 明確移植內容

在具體實施之前，首先須總體上明確How to do：

2.2明確Boot流程

明確Boot流程，需要明確有哪些地方需要根據所選SOC,板級硬件設計做出移植：

如前文分析，u-boot的啟動流程主要分亮部分。

第一階段：芯片復位，執行復位跳轉，從自各自芯片的start.S開始執行匯編代碼

一般而言，start.S 位于- arch/ic/_xxx/cpu/start.S

如：

- arch/arm/cpu/armv7/start.S

- arch/powerpc/cpu/mpc83xx/start.S

-arch/mips/cpu/start.S

為什么這是復位入口呢？這取決于如何鏈接，由u-boot.lds指定：

鏈接文件位于./arch/arm/cpu/armv8/u-boot.lds

注：因為nanoPC-T3 S5P6818的SOC是一顆8核A53核，A53是armv8架構。

第二階段：lowlevel/_init()，board/_init/_f()，board/_init/_r()：

lowlevel/_init()：

• 目的：允許執行達到oard/_init/_f()的基本初始化
• 沒有global/_data或BSS。
• 沒有堆棧（ARMv7可能有一個堆棧，但是很快就會被刪除）
• 不得設置SDRAM或使用控制臺
• 必須只做最少的工作，以允許執行繼續到board/_init/_f()
• 幾乎不需要
• 從此函數正常返回

board/_init/_f()：

• 目的：初始化CPU運行環境以準備運行board/_init/_r()：即初始化SDRAM和UART
• global/_data可用
• 堆棧位于SRAM中
• BSS不可用，因此您不能使用全局/靜態變量，只能使用堆棧變量和global/_data
• 非SPL特定說明：
• 調用dram/_init()設置DRAM。 如果已經在SPL中完成，則無法執行任何操作
• SPL特定說明：
• 可以根據需要使用自己的版本覆蓋整個board/_init/_f()函數。
• preloader/_console/_init()可以在依據需要調用
• 須初始化SDRAM，以及初始化UART
• -不需要清除BSS段，由crt0.S完成
• -必須從此函數正常返回(不要直接調用board/_init/_r())

此處清除了BSS。對于SPL，如果定義了CONFIG/_SPL/_STACK/_R，則此時將堆棧和global/_data重定位到CONFIG/_SPL/_STACK/_R/_ADDR之下。 對于非SPL，U-Boot被重定位以在內存頂部運行。

board/_init/_r():

• 目的：主要執行，通用代碼
• global/_data可用
• SDRAM可用
• BSS可用，可以使用所有靜態/全局變量
• 執行最終繼續到main/_loop()
• 非SPL特定說明：
• U-Boot重定位到內存頂部，并且現在從那里開始運行。
• SPL特定說明：
• 如果定義了CONFIG/_SPL/_STACK/_R并且

  CONFIG/_SPL/_STACK/_R/_ADDR指向SDRAM，則堆棧可選地位于SDRAM中

• 在這里可以調用preloader/_console/_init()-通常是通過定義CONFIG/_SPL/_BOARD/_INIT然后提供包含此調用的spl/_board/_init()函數來完成的
• 加載U-Boot或(在falcon模式下)Linux

以上關于lowlevel/_init()，board/_init/_f()，board/_init/_r()翻譯自./README

這里有幾個概念需要進一步解析，方便下面理解：

• 堆(heap)：堆的管理由C庫實現的，Linux中是一般由Glibc,取決于選用什么C庫。內存的獲取與釋放由程序員通過調用C庫中的malloc/free進行操作，C庫中的動態內存管理單元具體實現。大體上在工程中指定堆的大小，C庫中的堆管理器將這片內存進行動態管理，這里需要用到一些數據結構算法對這片內存區進行動態管理。如果要對堆的管理實現進行分析，可以參考glibc的源代碼。
• 棧(stack)：由編譯器實現棧的管理，由編譯器自動分配釋放 ，存放函數的參數值，局部變量的值等。其操作方式類似于數據結構中的棧。

堆/棧的大小由下面的宏定義：

• CONFIG/_SYS/_MALLOC/_LEN 指定堆大小
• CONFIG/_SYS/_RESERVE/_MEM/_SIZE/ CONFIG/_SYS/_MALLOC/_LEN 一起指定棧大小

Stack size= CONFIG/_SYS/_RESERVE/_MEM/_SIZE-

CONFIG/_SYS/_MALLOC/_LEN

這幾個宏定義了內存上界、堆上下界、棧的上下界有編譯器、C庫實現越界保護機制。

global/_data：

該結構體收集板子的基本信息，內存，名稱，CPU時鐘，環境變量，標準IO，設備驅動句柄等等。

紅色部分信息將堆分配情況與U-Boot全局數據結構關聯。

• bss段：bss段（bss segment）通常是指用來存放程序中未初始化的全局變量的一塊內存區域。bss是英文Block Started by Symbol的簡稱。bss段屬于靜態內存分配。
• data段：數據段（data segment）通常是指用來存放程序中已初始化的全局變量的一塊內存區域。數據段屬于靜態內存分配。
• text段：代碼段（code segment/text segment）通常是指用來存放程序執行代碼的一塊內存區域。這部分區域的大小在程序運行前就已經確定，并且內存區域通常屬于只讀(某些架構也允許代碼段為可寫，即允許修改程序)。在代碼段中，也有可能包含一些只讀的常數變量，例如字符串常量等。

  一個程序本質上由這三個段由鏈接器鏈接而成。

2.3 創建板子文件

位置board/my/_vendor/my/_board/my/_board.c, 對于nanoPC-T3而言

./board/s5p6818/nanopi3/ board.c

• dram/_init 實現內存初始化
• board/_init 實現GPIO初始化、啟動設備初始化等操作，這與板子的硬件息息相關。

  需聲明DECLARE/_GLOBAL/_DATA/_PTR指針，因為本模塊需要對gd成員進行初始化，ARM32等價于r9寄存器，ARM64等價于寄存器x18

位于./arch/arm/include/asm/global/_data.h

2.4 創建Kconfig配置文件

board/my/_vendor/my/_board/Kconfig

需定義Kconfig對于board需要的相關變量SYS/_BOARD，SYS/_VENDOR，SYS/_CONFIG/_NAME。

由于S5P6818是一顆64位芯片，那么32位/64位將變成可選配置。故這里新創建了S5P6818/_FEATURES用以配置32位/64位，當取值為no表示為32位配置。

• SYS/_BOARD，SYS/_VENDOR 用于給kuild識別在那個board,verder目錄需去編譯相應源文件
• SYS/_CONFIG/_NAME 用于給kuild識別在哪里去尋找板子頭文件

include/configs/SYS/_CONFIG/_NAME.h

2.6創建板子Makefile

board/my/_vendor/my/_board/Makefile 對nanoPC-T3而言：

obj-y:=board.o hwrev.o onewire.o lcds.o

由于需要實現LCD以及單線觸摸控制器，則需要將上述文件編譯。

2.7 創建板子defconfig

configs/my/_board/_defconfig, 對nanoPC-T3而言：

s5p6818/_nanopi3

/_defconfig

對于新版的U-boot已支持make menuconfig,可以運行該命令進行其他配置，然后將生成的.config文件拷貝至此。

mv .config ./configs/s5p6818/_nanopi3/_defconfig

主要裁剪支持的驅動，以及shell命令等

注：舊版本的U-Boot使用boards.cfg添加板子。

2.8創建板子頭文件

include/confi gs/my/_board.h，對nanoPC-T3而言：

include/confi gs/ s5p6818/_nanopi3.h

環境變量：

這些定義由./common下環境變量管理模塊負責維護，其結構體定義如下，主要為字符串常量。

2.8 引導分析

為了能夠重新映射內存，U-Boot隨后跳至其鏈接地址。為了能夠在C中實現初始化代碼，在內部雙端RAM中設置了一個（很小的）初始堆棧（如果CPU提供了諸如MPC8xx或MPC8260之類的功能），或者在數據的鎖定部分中緩存。之后，U-Boot初始化CPU內核，緩存和SIU。

接下來，使用初步映射來映射所有可用的存儲體。例如，將它們放在512 MB邊界上（0x20000000的倍數：0x00000000和0x20000000上的SDRAM，0x40000000和0x60000000上的Flash，0x80000000上的SRAM）。然后，將UPMA編程用于SDRAM訪問。使用臨時配置，將運行簡單的內存測試，以確定SDRAM存儲區的大小。

如果有多個SDRAM存儲區，并且存儲區的大小不同，則首先映射最大的存儲區。對于相等的大小，將首先映射第一個存儲區（CS2＃）。第一個映射始終是針對地址0x00000000的，后面緊跟著任何其他存儲區以創建從0開始的連續存儲器。

然后，監視器將自身安裝在SDRAM區域的高端，并分配內存供malloc()和全局Board Info數據使用；同樣，將異常矢量代碼復制到低RAM頁面中，并建立最終堆棧。

只有在此重定位之后，才能擁有“正常”的C環境。由于受到多種方式的限制，主要是因為從ROM運行，并且必須將代碼重定位到RAM中的新地址運行。

至于上述過程重定向，主要利用鏈接綁定以實現符號表位置可知，從將u-boot映象拷貝到內存可實現運行切換。

/*指定輸出格式elf64-littleaarch64*/

而在./arch/arm/lib/sections.c 定義了對應的全局符號，這樣就實現了鏈接地址綁定：

char __bss_start[0] __attribute__((section(".__bss_start")));

下面對crt0/_64.S 匯編代碼做簡要注釋幫助理解重定向過程：

ENTRY(_main)/*聲明入口*/

總結：

• 思路須清楚，不要一開始關注細節
• 采用漸進明細、逐步迭代的方法論
• u-boot 其核心在于將系統成功引導。

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審核編輯 黃昊宇