樹莓派4裸機基礎教程：芯片啟動到代碼執行

1.說明

2.樹莓派的sd卡

3.config.txt的配置信息

4.小結

1.說明

在做嵌入式開發的時候，每個芯片都有自己的啟動方式。在做底層優化的時候，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。而系統卻可以經常更換，我們可以裝Linux系統，也可以裝windows系統。這個就是電腦的啟動過程。

類比芯片的啟動過程，大多數也是如此，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行芯片內部rom的一段固化代碼，這段代碼會根據撥碼開關選擇從不同的存儲介質中去讀取一小段可以執行的代碼放到sram中執行。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的代碼，并替換了先前在SD卡的啟動分區中找到的bootcode.bin。請注意，如果Pi 4的SD卡的啟動分區中存在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現，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。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。

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執行的程序是哪一個，另外kernel_address=0x8000表示需要執行的內存地址。這個地址就是裸機程序在鏈接時的入口地址。

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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原文標題：樹莓派4裸機基礎教程：芯片啟動到代碼執行

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責任編輯：haq