樹莓派4裸機基礎教程：芯片啟動到代碼執(zhí)行

• 1.說明

• 2.樹莓派的sd卡

• 3.config.txt的配置信息

• 4.小結

1.說明

在做嵌入式開發(fā)的時候，每個芯片都有自己的啟動方式。在做底層優(yōu)化的時候，往往也需要關注芯片的啟動方式，涉及到啟動時間，啟動的穩(wěn)定性問題。所以關注芯片的啟動方式非常的重要。在使用電腦的時候，電腦上電后首先會執(zhí)行BIOS，這個是廠家固化到ROM里面的代碼，一般從電腦生產出來到電腦的壽命結束，其中的內容都是不會變的。而系統(tǒng)卻可以經常更換，我們可以裝Linux系統(tǒng)，也可以裝windows系統(tǒng)。這個就是電腦的啟動過程。

類比芯片的啟動過程，大多數(shù)也是如此，比如我們一般描述嵌入式Linux在某些芯片的上的啟動流程，首先芯片上電后會執(zhí)行芯片內部rom的一段固化代碼，這段代碼會根據(jù)撥碼開關選擇從不同的存儲介質中去讀取一小段可以執(zhí)行的代碼放到sram中執(zhí)行。這些存儲介質可以是SPI Flash，可以是nand或者nor flash，或者sd卡等等。由于芯片的sram不可能做到非常大，所以第一階段的代碼往往會有限制，比如只允許使用4K內存等等。這段小的代碼負責初始化sdram，然后跳轉到sdram中去執(zhí)行代碼。由于sdram的成本比sram小許多，所以sdram往往非常的大，接著就是執(zhí)行正常的程序了。

這些啟動方式的選擇，都是芯片設計者需要考慮的問題，一方面是成本另一方面是啟動的效率問題。在使用芯片的時候，具體看設計者的思路即可。下面來分析一下樹莓派4芯片的啟動過程。

2.樹莓派的sd卡

一般我們使用開發(fā)板的時候，很少會見到需要插上sd卡才能啟動的，唯有樹莓派有這個特殊的操作。那么樹莓派的sd卡里面的文件究竟有什么作用呢？

樹莓派在設計的時候，為了節(jié)省成本，沒有使用掉電非易失性存儲介質，也就在板子上不能找到相關的flash。這樣芯片啟動的程序只能放在sd卡里面了。本來U盤啟動也是一種方式，但是樹莓派4代之前的設計并不是很好，導致這種啟動方式不可以使用。樹莓派4也有一些嘗試，但是目前樹莓派4最主流的方式還是使用SD卡啟動。

Raspberry Pi 4具有一個SPI連接的EEPROM（4MBits / 512KB）。其中包含用于啟動系統(tǒng)的代碼，并替換了先前在SD卡的啟動分區(qū)中找到的bootcode.bin。請注意，如果Pi 4的SD卡的啟動分區(qū)中存在bootcode.bin，則將其忽略。也就是說在樹莓派4的啟動方式上，更加的靈活，甚至可以直接去掉SD卡，從網(wǎng)絡方式啟動應用程序。具體可以看之前的文章

下面來分析一下從sd卡啟動系統(tǒng)需要的必要的文件內容。在裸機實驗中，一般只需要如下的文件就可以啟動了。

啟動過程可以描述如下：

首先芯片上電后執(zhí)行first-stage bootloader，這是芯片固化在內部的代碼，這個代碼的功能是加載sd卡中的bootcode.bin文件。在樹莓派4之前的版本都是需要這個文件的，但是在樹莓派4上，由于有了SPI的EEPROM，所以SD卡中可以不用存在這個文件。并且啟動了GPU。然后將bootcode.bin讀取到了128K大小的二級緩存(L2 Cache)中。此時開始執(zhí)行bootcode.bin代碼。該功能用于初始化ram，并且把start4.elf加載到內存中，并且去讀取config.txt中的配置信息，設置這些配置信息。上述已經描述了這幾個文件的作用，但是經過實際測試發(fā)現(xiàn)，這個設備樹文件bcm2711-rpi-4-b.dtb文件也是需要的，如果不存在也會影響串口的輸出，也就是只會有亂碼輸出。所以推測start4.elf文件也會去讀取設備樹文件，然后設置一些基本的參數(shù)。畢竟這個文件的大小也可以說明其功能的豐富。

3.config.txt的配置信息

前面說到，start4.elf會讀取config.txt中的配置信息，然后去設置相關的配置。先看看最簡單的裸機代碼啟動里設置了哪些配置：

enable_uart=1
arm_64bit=0
core_freq=250
kernel=kernel7.img
kernel_address=0x8000

首先enable_uart=1表示使用的是miniUART，樹莓派4中，UART控制器有兩種，PL011或者mini UART。

Name	Type
UART0	PL011
UART1	mini UART
UART2	PL011
UART3	PL011
UART4	PL011
UART5	PL011

這里設置使能UART1作為輸出信息，接著需要設置arm的頻率core_freq=250。因為串口控制器是需要頻率進行使能的。

arm_64bit=0告訴arm要啟動的程序是32位的，由于樹莓派4上的芯片是cortex-a72，是aarch64架構的，但是也支持向下兼容的32位指令。所以需要告知當前的裸機程序是32位指令集架構。

kernel=kernel7.img表示從start4.elf執(zhí)行的程序是哪一個，另外kernel_address=0x8000表示需要執(zhí)行的內存地址。這個地址就是裸機程序在鏈接時的入口地址。

以上的信息就是我們最小的裸機程序需要的環(huán)境配置。其他的更多的信息可以看官網(wǎng)上的描述來進行一一的設置：

https://www.raspberrypi.org/documentation/configuration/config-txt/README.md

4.小結

本文主要描述了一個樹莓派裸機代碼之前所做的事情，這些啟動流程是非常值得思考的，每一個步驟都有其設定的含義。剩下的config.txt文件中的配置其實還是有很多可以嘗試的，比如修改啟動地址，或者去使能某些外設等等。由于目前研究的是最簡單的裸機代碼，所以這些配置會在以后更高級的功能中慢慢說到。比如比較重要的安全可信技術，也需要修改配置文件。前期理解芯片的啟動過程有助于對后面編寫裸機代碼的分析。

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