LV05-01-uboot-09-uboot中的SPL
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u-boot里面,有一个叫做 SPL 的东东,我们在看 u-boot 代码的时候,很多地方都可以看到和它相关的东西,这里了解这玩意到底是拿来干啥用的。
一、SPL名字怎么来的?
SPL 全称叫做:Secondary Program Loader,看名字,像是一个什么二级加载相关的;实质上,也就是是二级加载。
我们知道u-boot 是用来引导启动我们的嵌入式系统的,那为什么不直接使用 u-boot ?为何还会多出一个 u-boot spl 呢?那我们从系统启动开始说起吧。
站在芯片厂商的角度来说,硬件系统一上电,一定是要去某个地址取指令(一般是 0x00000000),然后软件便开始很欢快的运行起来了;通常来讲,SoC 厂家都会做一个 ROM 在 SoC 内部,这个 ROM 很小(主要还是因为成本),里面固化了上电启动的代码(一经固化,永不能改,是芯片生产的时候,做进去的);这部分代码呢,我们管它叫做 BootROM(或者随便叫也行)。
换句话来说,上电后,先接管系统的是 SoC 厂家的 BootROM,它要做些什么事情呢?初始化系统,CPU 的配置,关闭看门狗,初始化时钟,初始化一些外设(比如 USB Controller、MMC Controller,Nand Controller 等);我们管这个 BootROM 叫做一级启动程序,而排在后面的就叫二级启动,这就是 SPL 名字的由来。
二、为什么要有SPL?
1. 需要先知道的事?
如果是大芯片(不是单片机),外挂了存储设备(eMMC、Nand、SDCard 等)和内存 RAM(SDRAM、DDR 等),通常情况下呢,我们要让系统跑起来,需要先烧写代码,这个烧写代码,其实是将可执行的二进制文件写到外部的存储设备上(eMMC、Nand、SD Card 等);系统上电启动的时候呢,去把他们读到内存中去执行。
前面我们说了,上电后,其实SoC 厂家自己的 BootROM,其他可执行的程序(u-boot、Kernel)都放(烧写)到了外部存储器。那么BootROM 的代码除了去初始化硬件环境以外,还需要去外部存储器上面,将接下来可执行的程序读到内存来执行。
既然是读到内存执行,那么这个内存可以不可以是我们板载的 DDR 呢?理论上是可以的,但是,SoC 厂家设计的 DDR 控制器呢,一般会支持很多种类型的 DDR 设备,并且会提供兼容性列表,SoC 厂家怎么可能知道用户 PCB 上到底用了哪种内存呢?所以,直接把外部可执行程序读到 DDR 显然是不太友好的,一般来说呢,SoC 都会做一个内部的小容量的 SRAM (又是成本),BootROM 将外部的可执行程序从存储器中读出来,放到 SRAM 去执行。
好了,现在我们引出了 BootROM和内部SRAM;那么 BootROM 从具体哪个存储器读出二进制文件呢?SoC 厂家一般会支持多种启动方式,比如从 eMMC 读取,从 SDCard 读取,从 Nand Flash 读取等等;上电的时候,需要告诉它,它需要从什么样的外设来读取后面的启动二进制文件。
一般的设计思路是,做一组 Bootstrap Pin,上电的时候呢?BootROM 去采集这几个 IO 的电平,来确认要从什么样的外部存储器来加载后续的可执行文件。比如呢,2 个 IO,2'b00
表示从 Nand 启动,2'b01
表示从 eMMC 启动,2'b10
表示从 SDCard 启动等等。
BootROM 读到这些值后,就会去初始化对应的外设,然后来读取后面要执行的代码;这些 IO 一般来说,会做成板载的拨码开关,用于调整芯片的启动方式。
这里,多说一句,读取烧写的二进制的时候呢,需要注意一些细节,比如,SoC 厂家告诉我们,我们需要先把 SDCard 初始化称为某种文件系统,然后把东西放进去才有效之类的;因为文件系统是组织文件的方式,并不是裸分区;我们按照 A 文件系统的方式放进去,然后 SoC 的 BootROM 也按照 A 文件系统的方式读出来,才能够达成一致。
2. 进入正题——SPL?
前面说了,BootROM 会根据 Bootstrap Pin 去确定从某个存储器来读可执行的二进制文件到 SRAM 并执行;理论上来说,这个二进制文件就可以是我们的 u-boot.bin 文件了;也就是 BootROM 直接加载 u-boot.bin。
理论上是这样的,但是这里有一个问题,就是 SRAM 很贵,一般来说,SoC 的片上 SRAM 都不会太大,一般 4KB、8KB、16KB…256KB不等;但是呢,u-boot 编译出来,却很大,好几百KB,放不下的。放不下怎么办?有两种办法:
1、放不下就放不下呗,BootROM 加载多少算多少;
2、做一个小一点的 boot 程序,先让 BootROM 加载这个小的程序,后面再由这个小 boot 去加载 u-boot;
比如,我们的 u-boot 有 300KB,SRAM 有 8KB,外部 DDR 1GB:
- 如果使用第一种方案的话,u-boot 的前面 8K 被加载进入 SRAM 执行,u-boot 被截断,我们就需要保证在 u-boot 的前 8KB 代码,把板载的 DDR 初始化好,把整个 u-boot 拷贝到 DDR,然后跳转到 DDR 执行;
- 第二种方案的话,我们做一个小的 u-boot ,这个 u-boot 就叫做 spl,它很小很小(小于SRAM大小),它先被 BootROM 加载到 SRAM 运行,那么这个 spl 要做什么事情呢?最主要的就是要初始化 DDR Controller,然后将真正的大 u-boot 从外部存储器读取到 DDR 中,然后跳转到大 u-boot。
如下图所示:
![img](https://fanhua-picture.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/01%E5%B5%8C%E5%85%A5%E5%BC%8F%E5%BC%80%E5%8F%91/02IMX6ULL%E5%B9%B3%E5%8F%B0/LV05-uboot%E4%B8%8E%E5%86%85%E6%A0%B8/LV05-01-uboot-09-uboot%E4%B8%AD%E7%9A%84SPL/img/1.png)
先假设,我们的代码,都已经放置到了外部存储器上,也就是绿色部分,然后会进行以下步骤:
- SoC厂家要做的事情:
(1)上电后,BootROM 开始执行,初始化时钟,关闭看门狗,关 Cache,关中断等等,根据 Bootstrap Pin 来确定启动设备,初始化外设;
(2)使用外设驱动,从存储器读取 SPL;
- 用户要做的事情:
(3)SPL 被读到 SRAM 执行,此刻,控制权以及移交到我们的 SPL 了;
(4)SPL 初始化外部 DDR;
(5)SPL 使用驱动从外部存储器读取 u-boot 并放到 DDR;
(6)跳转到 DDR 中的 u-boot 执行;
(7)加载内核。
但是在实际情况中,还需注意很多问题:
(1)编译阶段的链接地址,是否需要地址无关?
(2)SPL 的代码和 u-boot 的代码是否有重合的地方?如果有,是否意味着 SPL 执行过的,跳转到 u-boot 又要在执行一次?
(3)具体情况下,需要配置哪些硬件?怎么配置?
三、SPL框架?
其实在u-boot的文档中,给我们提供了一个通用的框架说明,我们打开u-boot源码目录中的doc/README.SPL文件:
1 | Generic SPL framework |