一、存储设备的介绍

1、主流的外部存储器介绍

内存和外存的区别：RAM可以随机访问，以字节为单位，可以操作每一个地址。但是ROM就不可以了，只能以块为单位进行访问。RAM掉电数据丢失，而ROM则不会，掉电后数据是保存的。

2、磁盘、CD、软盘、硬盘、光盘的区别与联系

存储原理为磁存储，缺点是读写速度、可靠性等问题，优点是技术成熟、加个便宜，广泛使用在桌面电脑中，在嵌入式设备中几乎不使用。

现代存储的防战方向，是FLash存储，闪存技术是利用电学原理存储1和0的，从而制成存储设备，所以闪存设备没有物理的运动，所以读写速度可以很快，且没有物理损耗。

3、纯粹的Flash：NandFlash、NorFlash

  这些是最早出现的，最原始的Flash颗粒组成的存储芯片，也就是说NandFlash和NorFlash芯片中，只是对存储单元做了最基本的读写接口，然后要求外部的SOC来提供FLash读写控制器和对Flash进行读写的时序。

  缺点：读写接口的时序，比较复杂；内部没有坏块处理机制，需要SOC自己来管理Flash的坏块；各家厂家的Flash接口不一致，甚至同一厂家的不同型号、系列的Flash接口都不一致，这就造成产品升级时的麻烦

  NandFlash分为MLC和SLC两种，SLC技术成熟，可靠性高，但是容量不大；MLC技术新，不成熟，可靠性差，但是可以做的很好，便宜。

4、SD卡、MicroSD、TF卡

  这些卡其实内部就是Flash存储颗粒，但是比早期的NandFlash芯片多了统一的外部接口和封装；而且卡都有了同一的标准，譬如SD卡都是按照SD卡的标准协议发布的，这些规范规定了SD卡的读写速度、读写接口、时序、速写命令集以及卡的大小尺寸和引脚个数及定义。这样做的好处就是不同厂家的SD卡可以通用。

5、iNand、moviNand、eSSD

  电子产品如手机、相机等，前些年的趋势是用sd卡、TF卡等扩容，但是近些年的趋势是直接内置大容量的Flash芯片而不是外部扩展卡。

 外部扩展卡，由于长时间的使用，导致卡槽接触不良等现象，不可靠。

  现在主流的发展趋势是使用iNand、MoviNand以及eSSD设备，本质上，这些设备存储颗粒都是Flash，但是集成了块设备管理单元，综合了SD卡为代表的各种卡的优势和原始Nand芯片的优势。

优势：向SD卡学习，有了统一的接口标准，包括引脚定义、物理封装，接口时序；向Nand学习，以芯片的方式来发布，而不是以卡的方式；内置了Flash管理模块，提供了诸如坏块管理等功能，让Nand的管理容易起来。

SSD固态硬盘，和eSSD的封装不同而已。

 

二、SD卡的特点和背景知识

1、SD卡和MMC卡的关系

MMC的全称是”MultiMediaCard”――所以也通常被叫做”多媒体卡”，是一种小巧大容量的快闪存储卡,特别应用于移动电话和数字影像及其他移动终端中。

 

 

如上图所示，MMC存贮卡只有7pin，可以支持MMC和SPI两种工作模式，或者换句话说：MMC是一种通信协议，支持两种模式SPI和MMC。MMC模式是标准的默认模式，具有MMC的全部特性。而SPI模式则是MMC存贮卡可选的第二种模式，这个模式是MMC协议的一个子集。
如下图为MMC在各个工作模式下的引脚定义。
 

 

SD卡，数字安全记忆卡（Secure Digital Memory Card），是用于移动设备的标准记忆卡。SD卡数据传送和物理规范由MMC发展而来，大小和MMC差不多。长宽和MMC一样，比MMC稍微厚了一点。兼容性方面SD卡向下兼容多媒体卡（Multi Media Card）。

SD卡也有SD（SD有4-line和1-line两种模式，以下只列出了4-line工作模式）和SPI两种工作模式，在各个工作模式下引脚定义如下：

2、SD卡和NanndFlash、NorFlash芯片的差异

  SD卡/MMC卡有统一的标准接口，而Nand和NorFlash等没有统一的标准。

3、SD卡MicroSD的区别

  没有任何的区别，只是存储大小有不同，传输原理完全，一种卡的两种不同封装。

4、MicroSD和TF是同一种东西。

 

三、SD卡的编程接口

1、SD卡的物理接口

2、SD卡的SD协议和SPI协议

    SD卡和SRAM、DDR、SROM之类的东西不同，SRAM等之类的存储存储器是总线式的，只要接上初始化好之后，就可以有SOC直接以地址方式来访问，但是SD卡不能直接通过给地址来访问，需要一定的接口协议。比如SD协议和SPI协议。

SPI协议：低俗、接口操作的时序简单，适合单片机。

SD协议：高速、接口时序复杂，适合有SDIO接口的SOC，专门用来和SD通信的。SD协议要求SOC中有SD控制器，运行在高速率下，要求SOC主频不能太低。

SD卡协议的详解，可以看这篇文档：https://www.jianshu.com/p/6272e4cb1eeb

四、S5PV210的SD卡启动详解

1、SOC为何支持SD卡启动

• 普通性原则，SOC支持的启动方式越来越多，将来使用就越方便，用户的可选择性就越大，soc的适用面就越广。
• SD卡启动的好处：不使用专用的烧录工具的情况下，使用SD卡进行刷机，刷机SD卡插入卡槽，soc即可启动。例如工厂的批量生产的时候，的量产刷机。
• 我们X210开发板，板子贴好以后，内部的iNand是空的，此时直接启动是无用的。板子出厂前，官方刷机时，是把事先做好的量产卡插入SD卡，然后打到iNand方式启动，启动后会执行刷机操作，对iNand进行刷机。

2、SD卡启动的难点在哪？

• SRAM和DDR都是总线式访问的，SRAM不需要初始化，即可直接使用而DDR需要初始化之后才可以正常使用。但是总之，CPU可以直接和SRAM和DDR通过总线进行数据传输，NorFlash读写时可以总线式访问，而且不需要进行初始化即可使用，所以作为启动介质就非常好，启动也非常的容易，可以直接启动。但是SD卡却需要时序访问，CPU不能直接和SD卡打交道，而且SD卡和Nand不可以直接启动。
• 所以只用NorFlash可以作为启动介质，台式机笔记本的BIOS就是采用NorFlash做的，后来Samsung使用了Stepping的技术，让NandFlash可以作为启动介质，Stepping（启动基石）技术，就是SOC内部有4KB的SRAM，然后系统开机启动时，SOC会根据OMPin判断启动方式，如果是NandFlash启动，则SOC的启动时，硬件直接从外部NandFlash中读取开头的4KB代码到内部SRAM中作为启动内容。
• 启动基石技术进一步发展，在6410中得到完善，在x210芯片已经达到成熟，有96KB的SRAM，并且有一段iROM代码作为BL0，BL0执行的时候，回去加载BL1到SRAM中执行。然后开始后续的动作。

3、S5PV210的启动过程

• iROM究竟是如何读写SD卡/NandFlash中的代码的？

         Samsung在iROM中实现内置了一些代码，也就是内置在IROM中的BL0，这段代码会在系统上电时，最开始执行，这段代码回去初始化外部SD卡/NandFlash，并且在其中内置了读取SD卡内容的代码放在iROM中，BL0 就是通过这个内置的copy function来读取外部SD/NandFlash中BL1。

4、扇区和块的概念

早期的块设备，例如软盘，硬盘这类磁存储设备，不以字节为单元，而是以扇区为单位。读写的最小单位为一个扇区。

一个扇区，一般是512个字节，后来的硬件虽然物理上可能支持更大的扇区，但是实际上一般还是兼容512个字节扇区的操作方法。

 

五、SD卡启动实战

通过代码，读取SD卡中程序，SD卡中程序分为两个部分，第一的部分是从扇区2开始的16KB的代码，第二部分是存储在45扇区开始的剩余代码。我们将这两部分的代码，放在两个不同的文件夹下BL1和BL1中，每个文件下都必须有自己独立的Makefile，然后还需要一个主MakeFile，还有一个烧写SD卡的脚本。注意链接脚本也是需要修改的。

1、BL1代码的编写

（1）BL1的需要实现的功能：关闭看门狗，设置栈，开Icache，初始化DDR，从SD卡的特定分区读取BL2到DDR中的特定位置，最后是跳转到DDR中执行BL2。

（2）start.S文件

#define WTCON		0xE2700000
#define SVC_STACK	0xd0037d80

.global _start					// 把_start链接属性改为外部，这样其他文件就可以看见_start了
_start:
	// 第1步：关看门狗（向WTCON的bit5写入0即可）
	ldr r0, =WTCON
	ldr r1, =0x0
	str r1, [r0]
	
	// 第2步：设置SVC栈
	ldr sp, =SVC_STACK
	
	// 第3步：开/关icache
	mrc p15,0,r0,c1,c0,0;			// 读出cp15的c1到r0中
	//bic r0, r0, #(1<<12)			// bit12 置0  关icache
	orr r0, r0, #(1<<12)			// bit12 置1  开icache
	mcr p15,0,r0,c1,c0,0;

	// 第4步：初始化ddr
	bl sdram_asm_init
	
	// 第5步：SD重定位
	bl sd_relocate
	
// 汇编最后的这个死循环不能丢
	b .
	

2、主要的代码就是集中在sd_relocate中，

#define DDR_ADDR 0x23E00000  //BL2在DDR中位置
#define BLOCK_START_SD 45
#define COUNT_BLOCK_SD 32 

typedef unsigned int bool;
typedef bool(*pCopySDMMC2Mem)(int, unsigned int, unsigned short, unsigned int*, bool);

typedef void (*pBL2Type)(void);

void sd_relocate()
{
	pCopySDMMC2Mem CopySDMMC2Mem = (pCopySDMMC2Mem)(*(unsigned int*)0xD0037F98);
	CopySDMMC2Mem(2,BLOCK_START_SD,COUNT_BLOCK_SD,(unsigned int*)DDR_ADDR,0);
	pBL2Type BL2Func = (pBL2Type)DDR_ADDR; 
	BL2Func();
	
}

typedef bool(*pCopySDMMC2Mem)(int, unsigned int, unsigned short, unsigned int*, bool);这是iROM中内置的用于从SD卡中复制代码到内存中的函数指针，

typedef void (*pBL2Type)(void);是一个函数指针，通过pBL2Type BL2Func = (pBL2Type)DDR_ADDR的方式，跳转到DDR中执行代码。

3、Makefile的修改

relocate1.bin: start.o  sdram_init.o sd_relocate.o
	arm-linux-ld -Tlink.lds -o relocate1.elf $^
	arm-linux-objcopy -O binary relocate1.elf relocate1.bin
	arm-linux-objdump -D relocate1.elf > relocate1_elf.dis
	gcc mkv210_image.c -o mkx210
	./mkx210 relocate1.bin BL1.bin
	
%.o : %.S
	arm-linux-gcc -o $@ $< -c -nostdlib

%.o : %.c
	arm-linux-gcc -o $@ $< -c -nostdlib

clean:
	rm *.o *.elf *.bin *.dis mkx210 -f

 

2、BL2的编写

没有新代码，主要是做一些修改即可。

.global _start					// 把_start链接属性改为外部，这样其他文件就可以看见_start了
_start:
//run_on_dram:	
	// 长跳转到led_blink开始第二阶段
	ldr pc, =led_blink      // ldr指令实现长跳转
	
	
// 汇编最后的这个死循环不能丢
	b .
	

跳转到对应的函数去执行代码，还要注意，这部分代码没有头了，所以Makfefile文件，不需要使用mkimage工具制作校验头了

BL2.bin: start.o led.o
	arm-linux-ld -Tlink.lds -o BL2.elf $^
	arm-linux-objcopy -O binary BL2.elf BL2.bin
	arm-linux-objdump -D BL2.elf > BL2_elf.dis
	
%.o : %.S
	arm-linux-gcc -o $@ $< -c -nostdlib

%.o : %.c
	arm-linux-gcc -o $@ $< -c -nostdlib

clean:
	rm *.o *.elf *.bin *.dis mkx210 -f

 

3、主Makefile

all:
	make -C ./BL1
	make -C ./BL2


clean:
	make clean -C ./BL1
	make clean -C ./BL2

 

4、SD卡烧录脚本

#!/bin/sh
sudo dd iflag=dsync oflag=dsync if=./BL1/BL1.bin of=/dev/sdb seek=1
sudo dd iflag=dsync oflag=dsync if=./BL2/BL2.bin of=/dev/sdb seek=45

5、总结

我们这里使用的是分散加载的方式，比较麻烦：

代码完全分成2个部分，完全独立，代码的编写和组织上比较麻烦。分成了两个文件夹，两次编译。不方便。

这样的工程代码无法兼容不同的启动介质，比如无法移植到Nand启动、NorFlash启动等各种启动方式中。

uboot的做法：

程序仍然分成BL1和BL2，但是组织形式上不是分为两个部分，而是作为一个整体来组织，。

iROM启动后从SD卡的扇区1开始读取16KB的BL1，然后执行BL1，BL1负责初始化DDR，然后从SD卡中将读取整个程序（BL1+BL2）到DDR中，然后程序继续执行，一直到利用ldr pc,=main这种远跳转的方式跳转到DDR中执行BL2。