這個就是目前開發板很常見的 sd card booting, 以前的開發版並不是很常見到這樣的功
能。終於來到這裡了, 想了好久的點子能把它實現真是一件美妙的事情。現在很多開發板
都提供了從 sd 開機的功能, 例如樹莓派, 比起直接操作 flash 簡單很多, 但要自己實
作這功能, 就沒那麼容易, 從 fig 0 的金字塔圖就可以看出需要很多知識, 這是集合了
之前努力所開的果實。
我在很久之前就有這想法了, 但直到在《20150117 成功大學 UniDEMO 期末聯合 DEMO 計
畫 ( https://goo.gl/NbZqar )》看到 mp3 player 那組的作品後, 我才對於 sd card
的讀取有點想法, 這是我最難克服的部份, 沒想到成大的學生在專題就把 sd card 搞定
了, 真是厲害。直到 20161119 我才完成, 從想法到實現, 應該超過兩年。
為什麼有這樣的想法, 是因為 flash 壽命有限, 如果因為 flash 寫爛了, 這塊開發板就
不能用了豈不可惜, 透過 sd card boot 就可以避免這樣的問題, 我再也不會去改寫
flash 的 boot code 了, 讓開發板生命可以持續更久。
《前一篇 - 在 sd card 上使用 fat 檔案系統 ( https://goo.gl/kIEk4H )》在 linux
下的測試只能把 elf 有關程式碼的部份印出, 而不能真的載入, 這是因為需要載入到
0x21000000, 而這個位址不見得在 os 環境下可以正確要到, 我曾試過 mmap, 不見得可
以得到所要的位址。
讀取 elf program header 的程式碼不算太難, 但得先對 elf 有略懂的理解才行, 我不
會說明這部份, 因為《一步步嵌入式操作系:ARM程的方法与 ( https://goo.gl/m961sn )
》chapter 8 裡頭有介紹, 我不可能寫得比他還好了。這本書我已經提過很多次了, 如果
你沒有, 應該想辦法搞到它。
( https://goo.gl/JqhMcR )
fig 0 金字塔學習門檻
延續《前一篇 - 在 sd card 上使用 fat 檔案系統 ( https://goo.gl/kIEk4H )》的努
力, 我「只要」把 elf 的內容複製到某個位址就可以了, spi_sdcard.c L970 - L1013
就是在做這樣的努力。
elf_pheader.p_vaddr 就是把 elf 內容複製到的位址, 然後再透過找出 elf entry
point 就可以執行這個 elf 了。
那這個程式困難在哪裡? 一樣是在微小的記憶體, 這個 myur_168M.elf 有 68848, 128k
+ 64k ccm 總共只有 192k 的記憶體, 要怎麼載入這個 elf 執行檔而還要執行它呢?
我原本的想法是把 elf 載入到 ccm, 然後再從 ccm 位址 parse 這個 elf 並載入到
0x21000000 的位址, 但不管我怎麼縮, 這個 elf 就是無法在 64k 之內。這時候只好靠
進階程式技術了, 以分段讀取的方式, 把所需要的 elf 部份載入到記憶體。
《一步步嵌入式操作系:ARM程的方法与 ( https://goo.gl/m961sn )》chapter 8 的程式
碼是將 elf 整個讀到記憶體, 再去 parse elf 並複製到載入位址上, 這樣的方式程式比
較好寫。
而分段讀取的方式就不需要花費 64k ccm, 我把 ccm 的 64 k 拿來當 stack 了。這也是
為什麼這個程式要先讀 elf header, 再來才是 program header, 然後運用 f_seek 讀出
需要的部份。fatfs 幫了大忙, 讓我可以呼叫這些 api 完成這功能。否則要自己讀取
fat, 計算檔案在那個 cluster, 還要考慮小小的記憶體, 這不是簡單幾天就可以完成
的, 有經驗的程式員馬上就可以聯想到其中的大工程。
所以很簡單的 copy elf program body 的部份就變成 spi_sdcard.c L917 - 1010 這麼
複雜了。
spi_sdcard.c
917 #if 1
918 {
919 u8 *elf_code = 0;
920
921 FIL fil; /* File object */
922 char buf[BUF_SIZE]; /* Line buffer */
923 FRESULT fr; /* FatFs return code */
924 //fr = f_open(&fil, "1.txt", FA_READ);
925 //const char *fn = "2:/MYUR_1~1.ELF";
926 //const char *fn = "0:/myur_168M.elf";
927 const char *fn = "0:/myur_168M-data-bss.elf";
928 fr = f_open(&fil, fn, FA_READ);
929 if (fr)
930 {
931 //printf("open %s fail\n", fn);
932 return (int)fr;
933 }
934
935 TCHAR* pos=0;
936 DWORD fsize = f_size (&fil);
937 //printf("fsize: %d\n", fsize);
938 int r_len = 0;
939 while (1)
940 {
941 f_read(&fil, buf, BUF_SIZE, &r_len);
942 //printf("r_len: %d\n", r_len);
943 fsize -= BUF_SIZE;
944 #if 0
945 if (fsize < BUF_SIZE)
946 print_packet(buf, fsize);
947 else
948 print_packet(buf, BUF_SIZE);
949 #endif
950 Elf32Ehdr elf_header = *((Elf32Ehdr*)buf);
951 #if 0
952 printf("sizeof Elf32Ehdr: %d\n", sizeof(Elf32Ehdr));
953 printf("sizeof Elf32Phdr: %d\n", sizeof(Elf32Phdr));
954 printf("elf_header.e_phoff: %d\n", elf_header.e_phoff);
955 #endif
956 u32 entry = elf_header.e_entry;
957 if (elf_header.e_phoff > BUF_SIZE)
958 {
959 //printf("error elf_header.e_phoff > BUF_SIZE!!\n");
960 break;
961 }
962 Elf32Phdr elf_pheader = *((Elf32Phdr*)((u8 *)buf +
elf_header.e_phoff)); // program header
963 //printf("elf_header.e_phnum: %d\n", elf_header.e_phnum);
964 for (int i=0 ; i < elf_header.e_phnum; ++i)
965 {
966 int ret;
967 //printf("p_vaddr: %#x offset: %#x size: %d\n",
elf_pheader.p_vaddr, elf_pheader.p_offset, elf_pheader.p_filesz);
968 ret = f_lseek(&fil, elf_pheader.p_offset);
969
970 u32 read_times = 1;
971 if (elf_pheader.p_filesz > BUF_SIZE)
972 {
973 #if 0
974 printf("elf_pheader.p_filesz: %d\n", elf_pheader.p_filesz);
975 printf("BUF_SIZE: %d\n", BUF_SIZE);
976 printf("elf_pheader.p_filesz > BUF_SIZE need to read %d
times.\n", read_times);
977 #endif
978 read_times = elf_pheader.p_filesz/BUF_SIZE;
979 if ( elf_pheader.p_filesz % bUF_SIZE != 0)
980 ++read_times;
981 }
982 ur_puts(USART2, "elf_pheader.p_filesz: ");
983 print_u32(elf_pheader.p_filesz);
984 ur_puts(USART2, "\r\n");
985
986 ur_puts(USART2, "read_times: ");
987 print_u32(read_times);
988 ur_puts(USART2, "\r\n");
989
990 for (int i=0 ; i < read_times; ++i)
991 {
992 u32 read_len = BUF_SIZE;
993 if (i == (read_times-1))
994 {
995 read_len = elf_pheader.p_filesz - i * BUF_SIZE;
996 }
997 f_read(&fil, buf, read_len, &r_len);
998 #if 0
999 ur_puts(USART2, "read_len: ");
1000 print_u32(read_len);
1001 ur_puts(USART2, "\r\n");
1002 #endif
1003
1004 ur_puts(USART2, "r_len: ");
1005 print_u32(r_len);
1006 ur_puts(USART2, "\r\n");
1007 s32_memcpy(elf_pheader.p_vaddr + BUF_SIZE * i, buf, r_len);
1008 ur_puts(USART2, "elf_pheader.p_vaddr + read_len * i: ");
1009 print_u32(elf_pheader.p_vaddr + BUF_SIZE * i);
1010 ur_puts(USART2, "\r\n");
1011 //printf("yy r_len: %d\n", r_len);
1012 //print_packet(buf, r_len);
1013 }
1014 (*(void(*)())entry)();
1015 ur_puts(USART2, "back to loader\r\n");
1016 while(1);
那被載入的 elf 執行檔應該怎麼設計呢? 我把 128k 分成 2 個 64k, 從 sd card 載入
的就從 0x20010000 往上的 64 k, 這很容易, 透過 linker script (參考
stm32.sd.ld) 就可以搞定。
0x20010000 + 64k 就是 sd card 上 elf 所能使用的位址空間, 程式一旦超過這個大
小, 就會出亂子。
stm32.sd.ld
11 MEMORY
12 {
13 FLASH (rx) : ORIGIN = 0x00000000, LENGTH = 1024K
14 SRAM (xrw) : ORIGIN = 0x20010000, LENGTH = 64K
16 }
17
18 ENTRY(mymain)
19
20 SECTIONS
21 {
22 .text :
23 {
24 KEEP(*(.isr_vector .isr_vector.*))
25 *(.text .text.*)
26 *(.rodata .rodata*)
27 _etext = .;
28 } > SRAM
29 .data : AT (_etext)
30 {
31 _data = .;
32 *(.data .data.*)
33 _edata = .;
34 } > SRAM
35 .bss(NOLOAD) :
36 {
37 _bss = .;
38 *(.bss .bss.*)
39 *(COMMON)
40 . = ALIGN(4);
41 _ebss = .;
42 } > SRAM
43 .stackarea(NOLOAD) :
44 {
45 . = ALIGN(8);
46 *(.stackarea .stackares.*)
47 . = ALIGN(8);
48 } > SRAM
49
50 . = ALIGN(4);
51 _end = .;
52 }
被載入的 elf 的 stack 就先用 loader 的吧。
再來的問題是該怎麼執行這個 elf 程式呢? 有幾個方法:
function call
goto
弄成一個 process
柿子挑軟的吃, 我沒那麼大的野心, 弄成一個 process 太複雜了, 就用 function call
來搞定就好。最簡單的當然是 goto, 直接跳去那裡執行就好了, 也不用返回 loader 了
。
程式員如果有操作程式碼的能力, 這是一個強力的技術, 什麼是操作程式碼的能力? 就是
我要讓程式怎麼跑, 程式就怎麼跑。coroutine, setjmp/longjmp, exception handle,
stack unwind, debugger 就是有這樣能力的技術或是程式。
這個功能也需要這樣的能力, 我要從目前的 loader 移動到被載入的 elf, 然後還要跳回
來, 把那個 elf 當然一個新的 function, 去執行它就好了。
spi_sdcard.c L1014 那個恐怖的轉型就是在做這件事情, 取出 elf 的 entry point
address, 轉成 function pointer, 然後執行他, 比想像中的還要簡單吧!
這比 c++ 的 exception handle 簡單 100 倍以上 (我絕對沒有誇張)。
list 1 是我第一次嘗試, 當然也是一次就成功, 這不是幸運, 是之前的努力所結的美麗
果實。我做了相當多的驗證, 證明能正常載入 elf 檔案。
list 1 minicom result
1 Init complete! Hello World!
2 Init sd
3 Init sd ok
4 get cid ok
5 cid:
6 275048534430344720B0003FB4008CFB
7 oid: PH
8 pnm: SD04G
9 get csd ok
10 csd:
11 400E00325B5900001DE77F800A4000D5
12 sd_size: 7839744
13 dump sector 0:
47 total: 3900522, free: 1993300
48 from sd loaded ok
49 back
list 2 是我第二次嘗試, 有什麼不同呢? 我加入了 bss, data section 的測試。確認
bss, data section 的值是正確的。也更進一步改善程式, 分段將 elf program body 載
入到正確的位置。所以很不幸的沒有一次就成功, 我花了一些時間完成她。
todo:
目前還無法處理有 2 個以上的 program body。
list 2. mincom result 1
1 Init complete! Hello World!
2 Init sd
3 Init sd ok
4 get cid ok
5 cid:
6 275048534430344720B0003FB4008CFB
7 oid: PH
8 pnm: SD04G
9 get csd ok
10 csd:
11 400E00325B5900001DE77F800A4000D5
12 sd_size: 7839744
47 total: 3900522, free: 1993230
48 elf_pheader.p_filesz: 640
49 read_times: 03
50 r_len: 256
51 elf_pheader.p_vaddr + read_len * i: 536936448
52 r_len: 256
53 elf_pheader.p_vaddr + read_len * i: 536936704
54 r_len: 128
55 elf_pheader.p_vaddr + read_len * i: 536936960
56 from sd loaded ok
57 12345678
58 76
59 98
60 CD
61 AB
62 back to loader
myur_168M.c 已經不再需要初始化 usart2, 因為 loader 已經做過了, 直接呼叫 usart
output function 即可。
myur_168M.c L101 - 106 是 bss section 測試, 應該是 0, 但我印出 76, 98, CD,
AB, 這是因為我改了 bss init 的值, 我用了 0xabcd9876 來初始化 bss, 確認這部份是
對的之後就改回 0 了。
myur_168M.c
1 #include "stm32f4xx_usart.h"
2 #include "stm32f4xx_rcc.h"
3 #include "stm32f4xx_gpio.h"
4
5
6 void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data)
7 {
8 /* Check the parameters */
9 assert_param(IS_USART_ALL_PERIPH(USARTx));
10 assert_param(IS_USART_DATA(Data));
11
12 /* Transmit Data */
13 USARTx->DR = (Data & (uint16_t)0x01FF);
14 }
15
16
17 void ur_puts(USART_TypeDef* USARTx, volatile char *s)
18 {
19 while(*s)
20 {
21 // wait until data register is empty
22 while( !(USARTx->SR & 0x00000040) );
23 USART_SendData(USARTx, *s);
24 *s++;
25 }
26 }
27
28 void init_bss()
29 {
30 extern unsigned long _bss;
31 extern unsigned long _ebss;
32 unsigned long *bss_dest;
33
34 for (bss_dest = &_bss; bss_dest < &_ebss;)
35 {
36 //*bss_dest++ = 0xabcd9876;
37 *bss_dest++ = 0x0;
38 }
39 }
40
41 char* s32_itoa(uint32_t n, char* str, int radix)
42 {
43 char digit[]="0123456789ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";
44 char* p=str;
45 char* head=str;
46 uint8_t count=0;
47 //int radix = 10;
48
49 // if(!p || radix < 2 || radix > 36)
50 // return p;
51 if (n==0)
52 {
53 *p++='0';
54 *p++ = '0';
55 *p=0;
56 return str;
57 }
58 if (radix == 10 && n < 0)
59 {
60 *p++='-';
61 n= -n;
62 }
63
64 while(n)
65 {
66 ++count;
67 *p++=digit[n%radix];
68 //s32_put_char(*(p-1), (u8*)(0xb8000+80*2));
69 n/=radix;
70 }
71 if (count == 1)
72 *p++ = '0';
73
74 *p=0;
75 #if 1
76 for (