JLINKv9在迅为iTOP-4412精英板上的应用

Somnus_H

很多人买迅为iTop4412精英板，在Android或Linux+Qt跑起来后学习开发调试应用程序或驱动，但在linux内核运行前发生了什么？能进行什么开发工作？并没有完整资料。其实，只要一根百元价位的JLINKv9，就可以搭建一个实用的boot阶段程序开发环境，使我们可以深入到貌似神秘的史前时代一探究竟。
我的精英板和JLINKv9刚到手一周左右，花了两三天功夫在环境搭建上，也遇到了一些坑，幸运的是都解决了。下面我就总结介绍一下这几天的工作，希望能对感兴趣的人有所帮助，能抛砖引玉就更好了。当然，在解决问题过程中，除了靠自己积累的知识外，也参考学习了网上的一些资料，在此向作者表示谢意，并尽量列出所参考的文章。
还要声明一点，就是boot阶段的开发当然需要一定的底层硬件知识。虽然本文所涉较少，但还是提醒初学者谨慎操作，以免损坏硬件。
正文：
系统环境：win8.1+VMWare+ubuntu14.04LTS
硬件：iTop4412精英板+JLINKv9调试电缆+SD卡及读卡器。JLINKv9电缆常用JTAG接头是2.54mm间距的大头，精英板上的JTAG接口是2mm间距的小头，所以还需要购买或自制转接板和小头电缆（淘宝售价10元以内）。硬件上一个小坑是我买的JLINKv9的JTAG接口的2脚有3.3V输出（SEGGER手册上写明NC，但有3.3V输出不知为什么），而精英板的JTAG口的1脚和2脚是短路的，这就使得如果不做改动直接连接，就使得JTAG1脚的检测电压是自身2脚输出的3.3V，而不是精英版输出的1.8V，使JLINK识别目标失败。改起来很简单，吧转接板大头和小头2脚间的连线划断就可以了。
关于JLINK软件的安装，只要去SEGGER官网下载最新版的Linux版的DEB安装包，用dpkg命令安装就可以了。还应该在Windows宿主机上安装win版的JLINK软件，这样宿主机也可以识别JLINK，出问题时也可和Linux虚拟机作对照。
首先确认JLINK可以识别4412。把JLINK电缆和串口电缆接好，开启Ubuntu虚拟机，在虚拟机Wokstation->虚拟机->可移动设备 菜单下把串口和SEGGER J-link与虚拟机连接好。开启虚拟机串口终端（我用的C-kermit），精英板上电进入u-boot状态。进入JLINK安装目录（缺省/opt/SEGGER/JLink/），运行 JLinkExe，如果没问题应该有VTref = 1.8xxV的目标检测电压输出（如果检测电压为3.3V，说明JTAG转接板未改，参考前面）。由于JLINKv9不直接支持4412，所以不能自动识别目标，需手动连接。按提示输入connect命令，依次输入“CORTEX-A9”，回车，“J”，回车，“-1,-1”，回车，4000，回车。界面如下图。

此时若JLINK和目标板软硬件没问题，则4412的cortex-a9 CPU#0能被识别，这正是我们期待的。截图如下。

在此基础上可以做些实验，发现如下问题：cp15协处理器读写命令无效；只能调试单核；0x02000000物理地址开始的内存无法读取，而这是关键的iROM和iRAM映射区域，史前文明的秘密宝藏就在这里。第一个问题可以在编程时用汇编指令读cp15到通用寄存器然后设置相应断点来一定程度规避。第二个问题对于调试boot阶段程序来说不是问题，因为这时本来只有CPU#0运行。第三个问题就得认真对待了。从上图可以看到此时MMU使能，物理地址已不能直接应用。我还没有深究此版本u-boot源码，不知道该段物理地址是否映射到某个虚拟地址。换个思路，可以重写一个BL2阶段的程序，该程序为目的只是一个无限循环，用JLinkExe的halt命令终止其运行，就可保留BL1刚结束而BL2刚开始时的现场。让我们实现这个思路看看会得到什么。
我利用较新版（建议2017以后）的u-boot源码改造生成SPL的方式产生所需要的BL2程序。ARM交叉工具链用Linaro的arm-eabi-系列。按照上述思路，只要在u-boot源码的arch/arm/cpu/armv7/start.S的第一条指令改为跳转自身地址的指令即可。但经过实验，以此生成的BL2程序在精英板运行后，JLinkExe检测到的VTref为0V，JLINK无法连接目标。由此猜想是BL2程序缺少必要的电源管理设置。参考网上文章https://blog.csdn.net/techping/article/details/6991...
reset:
/* Allow the board to save important registers */
/*b save_boot_params*/
ldr r1, =0x1002330c
ldr r0, [r1]
dmb
ldr r2, =0x300
orr r0, r0, r2
dmb
str r0, [r1]
ldr r1, =0x11000c08
mov r0, #0
dmb
str r0, [r1]
reset11:
breset11
那u-boot的配置用什么？也是这篇网文建议用三星origen板子的配置改。只要把include/configs/origen.h中#define CONFIG_SPL_TEXT_BASE 的值改为0x02023400即可。这个地址是三星提供的BL1程序对它引导的BL2程序的要求。此配置项的作用就是生成SPL程序的lds链接文件的.ram区域的起始地址和设置.TEXT段的起始地址（二者相同），这可在SPL的Makefile文件中看到。然后在新版u-boot目录下运行make origen_defconfig，配置完后交叉编译新版u-boot即可。此时在新版u-boot源码目录下生成spl目录，其中的u-boot-spl.bin就是我们要得到的BL2程序镜像。
下面的工作需要借用精英板光盘提供的CodeSign4SecureBoot_SCP目录文件和旧版u-boot源码。在旧版u-boot源码下有个mkbl2程序是用来生成最终14K大小的bl2.bin文件的，但此程序有问题，用它生成会产生Unsupported szie错误。网上有改过的该程序源码，为方便我直接粘贴如下
/*
* Copyright (c) 2010 Samsung Electronics Co., Ltd.
*              https://www.samsung.com/
*
* This program is free software; you can redistribute it and/or modify
* it under the terms of the GNU General Public License version 2 as
* published by the Free Software Foundation.
*/  
#include <stdio.h>  
#include <string.h>  
#include <stdlib.h>  
int main (int argc, char *argv[])  
{  
    FILE        *fp;  
    unsigned char   src;  
    char        *Buf, *a;  
    int     BufLen;  
    int     nbytes, fileLen;  
    unsigned int    checksum = 0;  
    int     i;  
    if (argc != 4)  
    {  
        printf("Usage: mkbl1 <source file> <destination file> <size> \n");  
        return -1;  
    }  
    BufLen = atoi(argv[3]);  
    Buf = (char *)malloc(BufLen);  
    memset(Buf, 0x00, BufLen);  
    fp = fopen(argv[1], "rb");  
    if( fp == NULL)  
    {  
        printf("source file open error\n");  
        free(Buf);  
        return -1;  
    }  
    fseek(fp, 0L, SEEK_END);  
    fileLen = ftell(fp);  
    fseek(fp, 0L, SEEK_SET);  
/*
    if ( BufLen > fileLen )
    {
        printf("Usage: unsupported size\n");
        free(Buf);
        fclose(fp);
        return -1;
    }
*/  
    //nbytes = fread(Buf, 1, BufLen, fp);  
    if(BufLen > fileLen)  
        nbytes = fread(Buf, 1, fileLen, fp);  
    else  
        nbytes = fread(Buf, 1, BufLen, fp);  
/*
    if ( nbytes != BufLen )
    {
        printf("source file read error\n");
        free(Buf);
        fclose(fp);
        return -1;
    }
*/  
    fclose(fp);  
    for(i = 0;i < (14 * 1024) - 4;i++)  
    {  
        checksum += (unsigned char)(Buf);  
    }  
    *(unsigned int*)(Buf+i) = checksum;  
    fp = fopen(argv[2], "wb");  
    if (fp == NULL)  
    {  
        printf("destination file open error\n");  
        free(Buf);  
        return -1;  
    }  
    a   = Buf;  
    nbytes  = fwrite( a, 1, BufLen, fp);  
    if ( nbytes != BufLen )  
    {  
        printf("destination file write error\n");  
        free(Buf);  
        fclose(fp);  
        return -1;  
    }  
    free(Buf);  
    fclose(fp);  
    return 0;  
}  
读者可用此源码本地编译生成可用的mkbl2程序来代替旧版的。然后把编译新版u-boot生成的u-boot-spl.bin拷贝在旧版u-boot源码下。在旧版u-boot源码目录下运行如下命令
./mkbl2 u-boot-spl.bin bl2.bin 14336 生成可用的bl2.bin镜像。把bl2.bin拷贝到CodeSign4SecureBoot_SCP目录下，并把旧版u-boot目录下的E4412_N.bl1.bin拷贝到CodeSign4SecureBoot_SCP目录下。在CodeSign4SecureBoot_SCP目录下新建一shell脚本文件my_build_bin.sh，内容如下
#!/bin/sh
cat E4412_N.bl1.bin bl2.bin all00_padding.bin > u-boot-iTOP-4412.bin
mv u-boot-iTOP-4412.bin ~/iTop/iTop4412_uboot/
其中mv命令的目标目录是我的旧版u-boot源码目录，读者应改为自己的相应路径。
在CodeSign4SecureBoot_SCP目录下运行./my_build_bin命令，在旧版u-boot目录下就有u-boot-iTop-4412.bin文件生成，该文件大小正好为24k，就是我们要烧到SD卡的启动镜像，包括BL1和BL2阶段的程序。然后参考ITop4412 精英板手册出厂前首次烧录TF卡方法用旧版u-boot目录下的mkuboot命令制作SD卡。把SD卡插入精英板，拨码开关设置为TF卡启动模式，启动精英板，用JLinkExe连接目标板，此时输出部分截图如下

可以看到此时MMU是关闭的。现在用mem再查看0x02000000物理地址区域，可以访问了！貌似JLINK不支持一次读取大量内存内容，我用savebin命令分次读取了iROM在0x02000000的64k映像，合并成一个文件，并用arm-eabi-objdump反汇编之，就可以弄清完整史前时代的来龙去脉了。下面是iROM程序的反汇编成果的开始部分，有兴趣的读者可以留邮箱，我会把完整的64k iROM程序镜像发给你。
irom:     fileformat binary
Disassembly of section .data:
00000000 <.data>:
       0:   ea000006   b   0x20
       4:   eafffffe   b   0x4
       8:   eafffffe   b   0x8
       c:   eafffffe   b   0xc
      10:   eafffffe   b   0x10
      14:   eafffffe   b   0x14
      18:   ea00301a   b   0xc088
      1c:   ea00301b   b   0xc090
      20:   e59f01a4   ldr r0,[pc, #420]  ; 0x1cc
      24:   e3a01000   mov r1,#0
      28:   e5801000   str r1,[r0]
      2c:   e59f019c   ldr r0,[pc, #412]  ; 0x1d0
      30:   e5900000   ldr r0,[r0]
      34:   e200003e   and r0,r0, #62 ; 0x3e
      38:   e330003e   teq r0,#62 ; 0x3e
      3c:   1a00000d   bne 0x78
      40:   e59f018c   ldr r0,[pc, #396]  ; 0x1d4
      44:   e5900000   ldr r0,[r0]
      48:   e3100001   tst r0,#1
      4c:   1a000009   bne 0x78
      50:   e59f2180   ldr r2,[pc, #384]  ; 0x1d8
      54:   e5922000   ldr r2,[r2]
      58:   e3e03000   mvn r3,#0
      5c:   e1120003   tst r2,r3
      60:   1a000003   bne 0x74
      64:   e59f0170   ldr r0,[pc, #368]  ; 0x1dc
      68:   e59f1170   ldr r1,[pc, #368]  ; 0x1e0
      6c:   e5801000   str r1,[r0]
      70:   e59f2164   ldr r2,[pc, #356]  ; 0x1dc
      74:   e1a0f002   mov pc,r2
      78:   e321f0d3   msr CPSR_c,#211    ; 0xd3
      7c:   ee110f10   mrc 15,0, r0, cr1, cr0, {0}
      80:   e3c00001   bic r0,r0, #1
      84:   e3c00004   bic r0,r0, #4
     88:   e3a02281    mov r2,#268435464  ; 0x10000008
      8c:   e5923000   ldr r3,[r2]
      90:   e3130501   tst r3,#4194304    ; 0x400000
      94:   0a000002   beq 0xa4
      98:   e3c00a01   bic r0,r0, #4096   ; 0x1000
      9c:   ee010f10   mcr 15,0, r0, cr1, cr0, {0}
      a0:   ea000006   b   0xc0
      a4:   e3a00000   mov r0,#0
      a8:   ee080f17   mcr 15,0, r0, cr8, cr7, {0}
      ac:   ee070f15   mcr 15,0, r0, cr7, cr5, {0}
      b0:   eb0022ea   bl  0x8c60
      b4:   ee110f10   mrc 15,0, r0, cr1, cr0, {0}
      b8:   e3800a01   orr r0,r0, #4096   ; 0x1000
      bc:   ee010f10   mcr 15,0, r0, cr1, cr0, {0}
      c0:   ee10cfb0   mrc 15,0, ip, cr0, cr0, {5}
      c4:   e20cc003   and ip,ip, #3
      c8:   e59f2114   ldr r2,[pc, #276]  ; 0x1e4
      cc:   e082010c   add r0,r2, ip, lsl #2
      d0:   e35c0000   cmp ip,#0
      d4:   1a0022da   bne 0x8c44
      d8:   e59f0108   ldr r0,[pc, #264]  ; 0x1e8
      dc:   e5900000   ldr r0,[r0]
      e0:   e3a01102   mov r1,#-2147483648    ; 0x80000000
      e4:   e1100001   tst r0,r1
      e8:   0a000024   beq 0x180
      ec:   e59f00f8   ldr r0,[pc, #248]  ; 0x1ec
      f0:   e5900000   ldr r0,[r0]
      f4:   e3100001   tst r0,#1
      f8:   0a000020   beq 0x180
      fc:   e59f00ec   ldr r0,[pc, #236]  ; 0x1f0
     100:   e5900000   ldr r0,[r0]
至此，我们的史前时代探险完成了。作为一个有价值的副产品，我们也建立了用JLINK搭建的boot阶段程序调试环境。下面我简要介绍下gdb调试环境的搭建。
退出JLinkExe，运行JLinkGDBServer -device CORTEX-A9 -speed 4000命令，则JLinkGDBServer就与目标建立了连接，并等待gdb连入。在另一个虚拟终端下运行arm-eabi-gdb命令，在(gdb)提示符下输入target remote localhost:2331命令与JLinkGDBServer建立连接，用file命令关联新版u-boot源码spl目录下的u-boot-spl文件，就可以进行源码级调试了。这样，我们就搭建了一个实用的boot阶段程序调试环境，并可以借用新版u-boot源码平台开发属于自己的boot程序了。