图文详解SAMA5D2处理器在加载Linux内核前到底做了什么?

@ 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

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

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。