DIY简易ARM嵌入式Linux开发板-STM32MP157
GiroPetrenko2024/04/08电子技术 IP:美国

由于之前没接触过嵌入式linux,本文恐有不少错误,还请各位多多见谅。

前言:该板使用(相当新的)STM32MP157F,有俩 Cortex-A7 内核,运行频率为 800MHz。 该SoC需要片外DDR3L RAM,增加了布线的难度。 不过,因为芯片可以选择 LFBGA448 (18x18mm) 封装,间距为 0.8mm,所以布线好像也没那么难。 此外,DDR 允许在每个bank内以及整个bank(对于 16 位)交换bit,所以布线容易些,但是地址位仍然必须按顺序排列。

至于为何要用很小众的STM32MP157嘛,因为ST给免费的样品,不用实在可惜。虽然2019年才推出Cortex-A7,实属落后,但数据手册等支持都相当不错。DIY这个项目也是为了体验一下MPU开发的全过程。。。

硬件部分用JLC的四层板就能布得下。由于布线时匆忙,DDR既没有做阻抗,也没有仔细拉等长,后文会提到一些具体细节。

硬件概述

STM32MP157FAA - SoC

4 GBit(512 MB)DDR3L RAM

2 通道 MIPI-DSI 屏幕连接器

1 个 USB-C OTG、1 个 USB-A 主机

1x 8 位并行摄像头接口

1 Gbit (128MByte) NAND-QSPI FLASH



fffshot.png

bbbshot.png

PCB渲染图。

image.png

image.png

反面用JLC贴片,正面使用热风枪手焊。此时遇到了第一个困难:由于DDR内存迟迟未到,而我又没有植球工具,之前拆焊的内存完全没法用,只好继续等待。

硬件没有什么大坑,这个芯片要三组电压:VDD = 3.3V,Vcore = 1.2V VDDR = 1.35V。还有一个需要特别上电顺序的Vusb,也是3.3V,必须要单独一组LDO。

焊好的芯片没什么问题,由此开始调试固件和Linux系统——没想到这才是坑的所在。


ST官方支持Yocto系统,但由于Yocto过于庞大,而且我的设备也与官方的设计相差甚远(晶振,PMIC等等)我决定用第三方的buildroot。A7的启动过程一共分四部,ARM用BL*来表示。

BL1 - 内部的ROM,通过跳线帽选择启动设备。

BL2 - TF-A - ARM的“可信平台”,跑在内部SRAM里,有自己的设备树(Device Tree),将验证硬件与固件是否相符,并且初步初始化DDR内存。

BL32 - OPTEE-OS - 可信操作系统,负责硬件加密部分,也有自己的设备树。由于ST的内部SRAM过小,OPTEE必须运行在分页模式下,并且利用外部DDR来进行操作。

BL33 - 我们的好朋友UBOOT,负责启动Linux。


由于遇到的坑过多,基本上是一点点磨过去的,下面便用“问答”形式来简单讲解问题的原因以及解决方法。

* buildroot完全不编译?

** 首先检查配置文件***defconfig,按需求改动附带的配置文件。这个第三方的buildroot有两种配置-demo和默认,demo包含很多附加的包,默认只保留启动所需的核心选项。

* buildroot 编译TF-A,OPTEE, UBOOT等任意一项时DEVICE TREE报错

** ST的CubeIDE给出的Device Tree文件不是完整的,需要从buildroot所带的文件里移植一些用户配置。比较重要的是UART的配置,不然debug给出的信息都会去到奇怪的地方。

* buildroot编译成功了,但是烧录到SD卡之后uart只输出PANIC和一个地址。

** 先看看config里有没有调用修改过的device tree,这基本上是硬件调用问题,比如板子上的晶振是12MHz的,默认的Device Tree却是24MHz。

* PANIC后显示DDR问题

** 检查内存焊接。

* TF-A 能够启动,但是出现HASH问题,然后死机

** 检查四个device tree配置是否一致 (这四个内容并不是完全一样,但是每个文件里有的节点都需要一致)。

* OPTEE启动后各种原因死机,进不去UBOOT

**检查OPTEE的device tree设置,以及config文件中的选项。OPTEE必须配置在分页模式下,最好打开调试选项。有些时候也可能是SD卡坏了。

* UBOOT启动了,进不去Linux系统。

** 首先恭喜!这一步就应该有UBOOT的shell,可以进行简单测试。一般这个问题也是SD卡坏了,也可能是重新编译时老文件没有清理干净,需要运行make clean。


附录

进了Linux后跑了memtest,和一个内存跑分软件,memtest没有报错(533MHz内存时钟-等效1066M, cpu 600 MHz)membench如下:

 C copy backwards                                     :    217.5 MB/s
 C copy backwards (32 byte blocks)                    :    591.7 MB/s
 C copy backwards (64 byte blocks)                    :    591.7 MB/s
 C copy                                               :    803.2 MB/s
 C copy prefetched (32 bytes step)                    :    755.9 MB/s
 C copy prefetched (64 bytes step)                    :    762.4 MB/s
 C 2-pass copy                                        :    529.6 MB/s
 C 2-pass copy prefetched (32 bytes step)             :    477.8 MB/s
 C 2-pass copy prefetched (64 bytes step)             :    475.1 MB/s
 C fill                                               :   1512.3 MB/s (0.4%)
 C fill (shuffle within 16 byte blocks)               :   1511.6 MB/s (0.3%)
 C fill (shuffle within 32 byte blocks)               :    324.1 MB/s (0.1%)
 C fill (shuffle within 64 byte blocks)               :    352.0 MB/s
 ---
 standard memcpy                                      :    795.0 MB/s
 standard memset                                      :   1458.3 MB/s
 ---
 NEON read                                            :   1201.7 MB/s
 NEON read prefetched (32 bytes step)                 :   1242.0 MB/s
 NEON read prefetched (64 bytes step)                 :   1278.4 MB/s
 NEON read 2 data streams                             :    344.5 MB/s
 NEON read 2 data streams prefetched (32 bytes step)  :    639.8 MB/s
 NEON read 2 data streams prefetched (64 bytes step)  :    719.1 MB/s
 NEON copy                                            :    805.0 MB/s
 NEON copy prefetched (32 bytes step)                 :    832.6 MB/s
 NEON copy prefetched (64 bytes step)                 :    835.8 MB/s
 NEON unrolled copy                                   :    801.4 MB/s
 NEON unrolled copy prefetched (32 bytes step)        :    778.6 MB/s
 NEON unrolled copy prefetched (64 bytes step)        :    799.5 MB/s
 NEON copy backwards                                  :    805.2 MB/s
 NEON copy backwards prefetched (32 bytes step)       :    831.6 MB/s
 NEON copy backwards prefetched (64 bytes step)       :    834.5 MB/s
 NEON 2-pass copy                                     :    607.0 MB/s
 NEON 2-pass copy prefetched (32 bytes step)          :    626.7 MB/s
 NEON 2-pass copy prefetched (64 bytes step)          :    634.3 MB/s
 NEON unrolled 2-pass copy                            :    427.2 MB/s
 NEON unrolled 2-pass copy prefetched (32 bytes step) :    441.3 MB/s
 NEON unrolled 2-pass copy prefetched (64 bytes step) :    479.6 MB/s
 NEON fill                                            :   1543.9 MB/s
 NEON fill backwards                                  :   1543.9 MB/s
 VFP copy                                             :    804.0 MB/s
 VFP 2-pass copy                                      :    486.4 MB/s
 ARM fill (STRD)                                      :   1457.9 MB/s
 ARM fill (STM with 8 registers)                      :   1543.8 MB/s
 ARM fill (STM with 4 registers)                      :   1543.0 MB/s
 ARM copy prefetched (incr pld)                       :    805.9 MB/s
 ARM copy prefetched (wrap pld)                       :    709.1 MB/s
 ARM 2-pass copy prefetched (incr pld)                :    545.9 MB/s
 ARM 2-pass copy prefetched (wrap pld)                :    530.7 MB/s

==========================================================================
== Memory latency test                                                  ==
==                                                                      ==
== Average time is measured for random memory accesses in the buffers   ==
== of different sizes. The larger is the buffer, the more significant   ==
== are relative contributions of TLB, L1/L2 cache misses and SDRAM      ==
== accesses. For extremely large buffer sizes we are expecting to see   ==
== page table walk with several requests to SDRAM for almost every      ==
== memory access (though 64MiB is not nearly large enough to experience ==
== this effect to its fullest).                                         ==
==                                                                      ==
== Note 1: All the numbers are representing extra time, which needs to  ==
==         be added to L1 cache latency. The cycle timings for L1 cache ==
==         latency can be usually found in the processor documentation. ==
== Note 2: Dual random read means that we are simultaneously performing ==
==         two independent memory accesses at a time. In the case if    ==
==         the memory subsystem can't handle multiple outstanding       ==
==         requests, dual random read has the same timings as two       ==
==         single reads performed one after another.                    ==
==========================================================================

block size : single random read / dual random read
      1024 :    0.0 ns          /     0.0 ns 
      2048 :    0.0 ns          /     0.0 ns 
      4096 :    0.0 ns          /     0.0 ns 
      8192 :    0.0 ns          /     0.0 ns 
     16384 :    0.0 ns          /     0.0 ns 
     32768 :    0.0 ns          /     0.1 ns 
     65536 :   10.9 ns          /    18.9 ns 
    131072 :   16.8 ns          /    26.5 ns 
    262144 :   21.8 ns          /    32.4 ns 
    524288 :   99.9 ns          /   156.1 ns 
   1048576 :  144.1 ns          /   201.9 ns 
   2097152 :  175.6 ns          /   229.8 ns 
   4194304 :  192.1 ns          /   242.8 ns 
   8388608 :  203.5 ns          /   253.5 ns 
  16777216 :  216.4 ns          /   271.7 ns 
  33554432 :  233.5 ns          /   301.5 ns 
  67108864 :  260.2 ns          /   354.7 ns


来自:电子信息 / 电子技术动手实践:实验报导
5
 
4
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~~空空如也
xa87
1个月14天前 IP:上海
931014

关注,

如果全裸机跑咋样?

官方SDK支持全裸跑不?

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GiroPetrenko作者
1个月13天前 修改于 1个月13天前 IP:美国
931059

忘记上传源文件了,本设计硬件全部开源,但需改进的地方很多,仅供参考。。。


attachment icon rprp_STmpu_devA_engrelease_core.zip 12.51MB ZIP 3次下载

顺便跑了一下Coremark,得分2033 (CPU=800MHz),相当的不行。。。


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warmonkey
1个月13天前 IP:广东
931060
引用xa87发表于1楼的内容
关注,如果全裸机跑咋样?官方SDK支持全裸跑不?

裸跑难度大于移植linux,速度也不会变快

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GiroPetrenko作者
10天11时前 IP:美国
931954

attachment icon rprp_STmpu_devB_qY-7F-.zip 2.23MB ZIP 1次下载

做了第二个版本,修改了DDR布线,增加了以太网(PCB有一根线没连,有bug)

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GiroPetrenko作者
8天18时前 IP:美国
931992
引用GiroPetrenko发表于4楼的内容
做了第二个版本,修改了DDR布线,增加了以太网(PCB有一根线没连,有bug)

勘误:其实Eth的phy并不是没有连接(之前以为没有连接的线是RxC,结果发现RMII不需要RxC,MII才需要),而是在STM32段连错了,连到了RGMII(千兆)的CLK上,所以还是没法用。

还有一个不知道怎么修的BUG,解码视频和播放图片有颜色出错。但是modetest的彩色条纹正常。也检查过布线和EMC,并没有发现什么大问题。显示工具用的是MPV,也试过ffplay,都一样。

如下图:

image.png grad.png

原图应该这样……

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