解析AM335x Arm Cortex-A8处理器的启动流程

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这是我的嵌入式笔记第三篇，原文写于2015年。

在真实世界中，一个操作系统是如何被加载的？对于单片机、SoC以及我们常见的计算机，由于硬件设备和软件系统的不同，启动流程肯定会有差异。不过对于大型操作系统，启动流程有不少共通之处，本文将简单解析一个消费类电子产品常用的系统（基于TI的AM335x处理器）是如何被加载启动的。

这篇笔记其实是在组队项目时，由一位队友Adrian Huang所写。相比我们这些“愣头青”，Adrian已经有八九年的Linux底层工作经验，先后在HP、联想、MTK工作过，是十足的大佬。

Boot Sequence

圖一為AM335x開機流程，其包含ROM Code、MLO、U-Boot與OS Image，底下將說明ROM Code、MLO與U-Boot。

Figure 1: High-level Overview to AM335x Boot Sequence

ROM Code

ROM Code主要有幾項任務:

  • Stack Setup
  • Watchdog timer 1 configuration (set to three minutes)
  • System clock configuration
  • Search bootable devices (must be the FAT 12/16/32 partition) for a valid booting image (the image name must be MLO)
  • Load the content of the file “MLO” from a bootable device to internal RAM (the 128KB on-chip memory)
  • Execute the file “MLO” stored in internal RAM

圖二為ROM Code架構，由”Public ROM Code drivers”可知ROM code支援如下裝置:

  • MMCSD (MultiMediaCard SD)
  • NAND
  • XIP (eXecute In Place)
  • SPI
  • USB UART
  • EMAC (Ethernet Media Access Control)

也就是說，系統一上電，ROM Code會掃描上述裝置，以便找到Bootable device。由於ROM Code只支援FAT檔案系統格式，所以Bootable device一定要是FAT檔案系統 (FAT12/16/32檔案系統都可以)。

注意: 該架構的On-chip boot ROM大小為176 KB。

Figure 2: ROM Code Architecture

圖三為ROM Memory Map:

  • ROM Exception Vectors (0x20000-0x2001F): 該區段定義Exception Handler的位址。譬如: 0x20000存放Reset Handler的位址，也就是板子一上電，第一個執行的地方，課程第七周有詳盡的說明，可參考此文件。詳盡的ROM Exception Vectors如表一所示。

Chart 1: ROM Exception Vectors

  • Public ROM Code CRC (0x20020): 由0x20000-0x2BFFF計算得出的四個位元組CRC值。
  • Dead loops (0x20080-0x200FF): 該區段定義預設的exception handlers，其預設handlers都是執行while(1)迴圈，程式設計者可以定義相同名字的exception handler，如此便能覆蓋 (override)對應之預設exception handlers。可參考mini-arm-os與freertos程式碼，以便了解其設計概念。
  • Code (started from 0x20100): ROM程式碼
  • ROM Version (0x2BFFC-0x2BFFF): ROM Code Version

Figure 3: ROM Memory Map

Two Stage U-Boot Design - MLO (MMC Loader) & U-boot

MLO (File Name: MLO)

AM335x ARM Cortex-A8處理器的On-chip memory( internal SRAM)大小為128KB (詳見AM3358 Data Sheet)，其Memory Map如圖四所示:

  • 1KB Secure Area: 此區域無法存取
  • 109KB downloaded image (0x402F0400-0x4030B7FF): 此區域最多可以容納109KB二進制檔案，此檔案可以存放在儲存裝置，或透過UART/USB傳輸，進而ROM Code載入至位址0x402F0400。MLO其實就是小型的U-Boot Boot loader (其大小必須小於109KB)。所以，其簡化版U-Boot (MLO)主要任務如下:
    • 初始化DDR (512MB)
    • 一旦初始化DDR成功後，MLO將u-boot.img載入至DDR，並交由U-Boot接管。
  • 18KB area (0x4030B800-0x4030FFFF): ROM Code使用該區域。

Figure 4: Memory Map for 128KB on-chip memory

U-boot (File name: u-boot.img)

此完整版U-Boot主要做額外platform初始化 (如: 初始化網卡等)，並載入OS Kernel。

為何需要two-stage U-boot？

由於On-chip memory只能提供109KB給Boot loader。然而，對於一個完整版的U-Boot，其大小約350KB (參考ARMhf編好的u-boot)。為因應此限制，便需要一個小型的U-boot (MLO)，用以初始化DDR並將完整版U-boot載入至DDR，再將控制權交給完整版U-boot。下圖在BeagleBoard Black成功載入MLO與U-Boot終端機輸出。