ARM的启动方式和bootloader解析（上）

作者：vianowu                                  

本期关键词：    NAND flash启动方式  Romboot  uboot

本期扩展关键词：NOR flash启动方式  emmc  cp15  dataflash

平台： AT91SAM9x25

之前玩的开发板是三星公司的s3c2440，但是对于NAND flash和NOR flsah的启动方式也是简单的了解了一下，知道他们大致的启动区别。但是这次对于ATMAL公司的SAM9x25的板子做了一下试验，才知道了具体的一个工作原理。以下是对一段时间前认识的总结。

1.NAND flash和NOR flash

相信接触过Flash的人都知道了这两个存储器的，那时候老师还告诉我们可以把NAND flash看成电脑的硬盘，把NOR flash看成电脑的内存。虽然在NAND flash和NOR flash的功能支持上是对的，但是容易让我们误解NOR flash在开发板就是RAM的作用，看来断章取义不可取啊，真理果真是有时限的，也好理解牛顿的运动定律不是万能的了。

NOR flash与NAND flash相比，进行读操作的效率非常高，但是擦除和写操作的效率很低，容量也比较小。前者的块大小范围为64KB ~ 128KB，而后者的块大小范围为8KB ~ 64KB,擦/写一个NOR flash块需要4s，而擦/写一个NAND flash块需要2ms。

NOR flash的接口和RAM完全相同（即命令和数据都是采用统一的IO口），可以随意访问任意地址的数据，支持XIP，即代码可以直接NOR flash 上执行，无需复杂到内存中。而NAND flash的接口仅仅包含几个I/O引脚，需要串行访问。

2.两种Flash的启动方式

三星的s3c2440主要有两种启动方式：NAND flash启动和NOR flash 启动方式。其中，采用NAND flash启动，cpu会通过内部的硬件将NAND flash开始的4KB数据复制到称为“stepingstone”的4KB的内部SRAM中（起始地址为0），然后再跳到地址0开始执行。

而SAM9x25的以上两种方式，启动过程基本和s3c2440相同。不同的是，SAM9x25在内部的ROM中固化了RomBoot的程序，在选择采用NAND flash启动时，RomBoot会先对硬件环境初始化，把32K的SRAM中的最大24K的代码搬运到SDRAM（我们所说的内存）。再启动bootloader对系统进行进一步的初始化。

扩展思维：

（1）Emmc

Emmc是目前手机运用比较多的的存储设备，Emmc的接口是接cpu的，驱动的实现方式、分区格式化、对cpu接口都和TF卡一样。对于Emmc启动方式，由于将uboot烧录到Emmc比较困难，没有合适对外接口，所以一般采用先启动sd卡再用sd卡里的uboot烧录新的uboot到emmc。

链接地址：http://baike.baidu.com/view/3509283.htm

（2）CP15

协处理器CP15总共有c0~c15这16个协处理器寄存器，各自具有一定的功能定义。但总的来说，cp15主要跟以下功能有关：
A、获取device id和cache type等一些CPU相关信息。
B、MMU操作。包括MMU的使能和禁止，虚拟地址到物理地址的映射机制建立。
C、访问权限控制。主要用来实现安全机制和linux的写时复制（copy on write）。
D、设置时钟模式。init.S中MMU_SetAsyncBusMode和MMU_SetFastBusMode这两个函数。

链接地址：http://blog.chinaunix.net/uid-14114479-id-3110951.html

3.AT91SAM9X25启动流程

讲到整块板的启动流程的话，那么我们就从裸板如何烧写bootloader开始说起吧。根据AT91SAM9x25 datasheet第十一章Boot Strategies可知：其引导策略主要用板上的BMS管脚脚来选择的。

如果BMS管脚电平为0，那么选择了缺省参数的启动方式，所有寄存器都处于重置状态，此引导方式多大用于以烧录bootloader程序的NOR Flash 启动。

如果BMS管脚电平为1，那么将采用固化在Rom内部的ROMBoot程序来启动，此引导方式多用于未烧录任何程序或NAND Flash启动方式。

问题一：那么Romboot做了些什么工作呢？

1.基础芯片初始化：XTal或者外部时钟频率检测；

2.尝试从外部非易失存储器检索可用代码；

3.如果没有找到可用的程序，将执行供应商提供的SAM-BA监控器（软件）。

    

上面的逻辑图在描述了Romboot基本功能的同时，也同时解释了开发商提供的用户手册的操作步骤了。具体的烧录步骤请查照“SAM9X5用户使用手册v1.3.pdf”。

问题二：那么具体的Romboot检索过程是怎么样的呢？是否可以支持从SD卡启动呢？

    答案是可以的，以下是Romboot的检索过程。其实只是上一幅逻辑图的补充而已。相应的检索顺序是SPI0，SD卡，NAND flash ，SPI1，EEPROM，SAM-BA。此时的SAM-BA是通过USB接口连接的，相当于U盘里的程序。

   问题三：我们烧写程序进nandflash的时候，一定要用供应商提供的SAM-BA工具吗？或者是说我们自己用自己的程序烧写有什么要注意的呢？

仔细看datasheet可以发现，第11.4.3.1说到我们要注意地方：前面的28个字节必须是中断向量（共七个中断向量，每个指令四个字节），而且第六个向量是PC下载的偏移地址，其实就是我们要下载的程序大小（This size is the internal SRAM size minus the stack size used by the ROM Code at the end of the internal SRAM）。尽管我们可以从datasheet的首页“features”看到了“one 32-Kbyte internal SRAM”这句话，但是11.4.3.1也说了程序要小于24Kbuytes。 SAM-BA软件它知道要往第六个向量写入整个NVM（non-volatile memories）程序的大小（其实就是我们接着要说的bootloader映象的大小）。所以我们用SAM-BA烧写程序也方便些。

问题四：我们用RomBoot烧什么程序？那个程序做什么？

我们烧写的程序就是bootloader。但是有的bootloader为了更好的区分引导程序功能，又将bootloader分为一级bootloader（又叫bootstrap）和二级bootloader（U-boot）。第一阶段的bootstrap主要完成的功能是硬件初始化，加载U-boot到RAM，设置堆栈，跳到第二段代码入口。第二阶段的U-boot主要完成的功能是初始化要用的硬件设备，内存映射，从Flash读取内核映像和根文件系统，设置内核启动参数，调用内核。

我们用的第一阶段的启动代码bootstrap（支持nandflash启动的）入口是crt0_gnu.s。（下）部分将开始分析crt0_gnu.s的实现功能。