U-BOOT小全（三）：SPL框架

1、什么是SPL？

为了可以使已有的所有SPL的设计统一，也为了简化添加适用于新板子的设计，专门设计一个通用的SPL框架。在SPL框架下，一个板子的所有代码都能够被重用。代码复制和链接不再是必要的。

在uboot-2011的/doc/README.spl文件有简单的介绍：

Generic SPL framework
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Overview
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To unify all existing implementations for a secondary program loader (SPL)
and to allow simply adding of new implementations this generic SPL framework
has been created. With this framework almost all source files for a board
can be reused. No code duplication or symlinking is necessary anymore.
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两个点：1、为了统一所有现有实现第二段的程序加载程序(SPL-Secondary Program Loader)
2、允许简单地添加新的实现

（下面内容来自一位前辈的blog-链接在文末–感谢前辈分享）

BootROM是一级启动程序

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；

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；

当 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 厂家告诉你，你需要先把 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；你按照 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、为什么需要SPL？

闪存技术是现在市场上最主要的非易失性存储技术之一。Intel于1988年首先开发出NOR Flash技术，彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。紧接着在1989年，东芝公司发表了NAND Flash结构，强调降低每比特的成本和更高的性能，并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。

NOR Flash的特点是带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节，因此支持芯片内执行（Execute In Place，XIP），这样应用程序可以直接在Flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR Flash的传输效率很高，在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。

而NAND Flash结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND Flash的困难在于其管理需要特殊的系统接口，因此NAND Flash并不支持XIP。在早期的设计中，经常有NOR Flash和NAND Flash混合使用的例子，最初的BootLoader存放在NOR Flash中，而后续的应用程序（比如内核和文件系统）放在高存储密度的NAND Flash中。

如果嵌入式系统仅仅使用NAND Flash，不再使用NOR Flash，也是有解决方法的，即使用芯片内的ROM或者其他机制加载固件到SRAM中。比如Samsung的s3c24xx系列和Allwinner的A20。s3c24xx有一块内部的4KB大小的SRAM，当采用NAND Flash方式启动时，独有的硬件机制会将位于NAND Flash最前4KB的数据自动加载到这块SRAM中，在这4KB的代码中完成NAND Flash接口的初始化，就可以实现从NAND Flash完成系统的启动了。而A20的NAND Flash采用另一种方式，使用内部的ROM。当A20从NAND Flash启动时，会显示内部ROM中代码输出的打印信息。

这种时候就需要SPL，因为SPL短小精悍，适用于4KB甚至更小的SRAM的环境。这时候的引导过程就变成：第一步由SPL引导U-Boot，第二步由U-Boot再引导系统内核。

在U-Boot源码的顶层目录下，有nand_spl目录和spl目录。如果对Samsung的s3c24xx和s3c64xx平台有一定了解的话，就明白使用nand_spl框架可以编译出基于NAND Flash启动的U-Boot。

而这里我们的A20使用最新的SPL框架。SPL框架是更加全面统一的框架。使用该框架，我们编译出u-boot-spl.bin和u-boot.bin。然后使用mksunxiboot工具将u-boot-spl.bin转换为sunxi-boot.bin，最后使用cat命令将sunxi-boot.bin和u-boot.bin拼接为u-boot-sunxi-with-spl.bin。

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！

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；
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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；

• 0、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；
• 1、使用外设驱动，从存储器读取 SPL；

---------------- 以上部分是 SoC 厂家的事情，下面是用户要做的事情 ----------------

2、SPL 被读到 SRAM 执行，此刻，控制权以及移交到我们的 SPL 了；

3、SPL 初始化外部 DDR；

4、SPL 使用驱动从外部存储器读取 u-boot 并放到 DDR；

5、跳转到 DDR 中的 u-boot 执行；

6、加载内核；

这下你应该知道这个SPL是干啥的了吧

（至于方案一，肯定是无效的，除非是UBOOT本身的前面的头部是负责加载初始化的代码，然后阶段的内容是完整可执行的，但是都和后面没有什么关联了，那还不是分开的。所以这里不用多做纠结）

这下回到起点：ROM->SPL->uboot.img，这个SPL架构将可以编译产生一个uboot-spl.bin。即BL1的代码。也就是说SPL结构其实做的工作就是uboot的BL1阶段的工作。

这里就不要把BL1和安全启动的BL1搞混淆，这是因为安全启动的粒度是更细的。

总结

ARM的启动流程：

RomBoot --> SPL --> u-boot --> Linux kernel --> file system --> start application

(RomBoot是固化在SoC内部的。)（RomBoot --》BootRom）

因为芯片厂商固化的ROM支持从nandflash， SDCARD等外部介质启动，所以RomBoot会根据硬件电路的启动模式选择读取对应介质一小段数据到内存。RomBoot读取多少才算合适呢？每个用户的需求不一样，大小也不能确定。很多芯片厂商干脆就只读4K/8K/16K等很小一段数据。这段数据你可以存放芯片初始化，读取介质数据到内存的工作是完全没有问题的。就这样在我们的软件界就产生了一个SPL概念，RomBoot读取这一小段代码就叫spl。

spl的作用：

SPL是uboot第一阶段执行的代码。 主要负责初始化芯片，搬移uboot第二阶段的代码到内存中运行。 SPL是由固化在芯片内部的ROM引导的。
（这个UBoot指的就是BoorRom后的整个引导kernel的过程）

所谓启动， 就是从这些外部介质中搬移一段固定大小（4K/8K/16K等）的代码到内部RAM中运行。 这里搬移的就是SPL. 在最新版本的uboot中， 可以看到SPL也支持nandflash， SDCARD等多种启动方式。 当SPL本身被搬移到内部RAM中运行时， 它会从nandflash， SDCARD等外部介质中搬移uboot第二阶段的代码到外部内存中。

切记SPL不能太大，不然RomBoot 无法读取完整，有些你写在spl功能无法读到内存，CPU执行不了，满足不了你的需求。

最后再重复一遍这个图

看这个图，脑子里梳理一下这个流程。

参考资料：
《深入理解BootLoader》
https://blog.csdn.net/yafeixi/article/details/82992681
https://blog.csdn.net/zhoutaopower/article/details/123133291