1 MailBox简介

这里的mailbox是SOC内部的硬件通信机制。

简单来说，它是两个不同处理器核心（例如ARM CPU和GPU/VPU或Cortex-M控制器）之间进行“跨界交流”的信箱。

Mailbox 通常由一组特定的硬件寄存器组成。最常见的交互模式是“请求/响应”模型：

1 写入数据：发送方将消息（通常是一个地址指针，指向内存中的详细数据结构）写入特定的 Mailbox 寄存器。
2 触发通知：写入操作会自动触发一个硬件中断（IRQ），告知接收方“你有新邮件”。
3 处理任务：接收方读取寄存器，根据地址去内存中获取具体任务，完成后将状态码写回。
4 返回结果：发送方收到回复通知，读取处理结果。

Mailbox 通常包含以下部分：

Channels（通道）：一个 Mailbox 往往有多个通道。例如：
通道 0：用于电源管理。
通道 1：用于帧缓冲区（Framebuffer）设置。
通道 8：用于获取属性（如 CPU 温度、序列号）。

Mailbox Registers：
Status Register：判断信箱是否为空（Empty）或已满（Full）。
Read/Write Register：实际存放数据或内存指针的地方。

在 Linux 内核中，Mailbox有专门的框架（Framework）。驱动开发者不需要直接操作寄存器，而是使用mailbox_send_message() 等API。

Mailbox并不是ARM设计，ARM主要设计 CPU 内核（如 Cortex-A78）和总线规范（如 AMBA、AXI）。而Mailbox是由SoC芯片厂商（如 Broadcom、高通、瑞萨、华为海思）自行设计并集成到芯片中的硬件模块。所以每家的一些细节都可能有些差异。

除了Mailbox，硬件之间通讯还有以下常用手段：

机制 数据量 复杂度 主要用途
Mailbox 极小 (32/64 bit) 低 控制命令、状态触发、地址传递
共享内存 极大 中 视频流、音频数据、大型缓冲区
硬件信号量 无 低 资源互斥、防冲突
RPMSG 中 高 跨系统（如 Linux 与 FreeRTOS）消息传递

回到树莓派3的mailbox。描述在"RP-008250-DS-1-bcm2836-peripherals.pdf"4.8。

https://pip-assets.raspberrypi.com/categories/506-raspberry-pi-2-model-b/documents/RP-008250-DS-1-bcm2836-peripherals.pdf?disposition=inline

但是这里用的并不是这个mailbox。在BCM2837里面，实际有两个mailbox。一个是GPU带的，一个是CPU的。因为BCM2837的机制是先启动GPU，所以用的是GPU的mailbox。

特性 VideoCore Mailbox (代码) ARM Local Mailbox (截图文档)
物理基地址 0x3F00B880 0x40000080 起
沟通对象 ARM <-> GPU (VideoCore) Core X <-> Core Y (ARM Only)
典型用途 设置显示屏、获取硬件信息 多核并行计算同步、核间中断
对应手册 《BCM2835 ARM Peripherals》 《BCM2836 ARM-local peripherals》

我详细看了BCM2835 ARM Peripherals，并没有找到具体描述里面Mailbox的。看了一下树莓派论坛：https://forums.raspberrypi.com/viewtopic.php?t=226514，里面甚至说地址是要去猜的。

我最后都是不知道怎么找出来寄存器的，反正他们就是找出来了。。。

2 UART实现

uart因为之前在pico已经详细写过了，所以这里也不单独写一篇，就在这里作为一个章节。

这个部分的描述是在BCM2835-ARM-Peripherals.pdf里面。

https://www.raspberrypi.org/app/uploads/2012/02/BCM2835-ARM-Peripherals.pdf

树莓派3B实际上有两个UART。。。又是两个。。。

PL011 UART (UART0)：这是 ARM 官方标准的 PrimeCell 外设。它是一个功能齐全、硬件级的串口，拥有独立的波特率时钟，支持奇偶校验、硬件流控（RTS/CTS）以及更大的 FIFO 缓冲区。
Mini UART (UART1)：这是一个简化版的外设，包含在树莓派的辅助外设（Auxiliary Peripherals）模块中。它的设计目的是为了实现基本的串行通信，去掉了许多复杂特性（如奇偶校验支持和完整的流控）。

在这里，用的是uart1。描述如下：

这里又有问题了，这里的地址描述的是0x7E21，但是代码里面是0x3F21。查了一下。这个是总线地址 (Bus Address) 与 物理地址 (Physical Address) 的映射。也就是说0x7E是GPU视角下的地址，而 0x3F是ARM CPU视角下的地址。

树莓派的 BCM 芯片架构设计非常特殊。外设（UART、GPIO 等）实际上是连接在 VideoCore (GPU) 总线上的，0x7E就是GPU的总线。ARM 核心无法直接“看到” 0x7E 开头的总线地址，硬件内部有一个内存管理单元（MMU）或总线映射器，将外设区域映射到了 ARM 的 0x3F00 0000 之后。

（说实话，坑也太多了，让我搞估计早就挂了。。。）

代码如下：

uart.h

void uart_init();
void uart_send(unsigned int c);
char uart_getc();
void uart_puts(char *s);
void uart_hex(unsigned int d);

uart.c

#include "gpio.h"

/* Auxilary mini UART registers */
#define AUX_ENABLE      ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00215004))
#define AUX_MU_IO       ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00215040))
#define AUX_MU_IER      ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00215044))
#define AUX_MU_IIR      ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00215048))
#define AUX_MU_LCR      ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x0021504C))
#define AUX_MU_MCR      ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00215050))
#define AUX_MU_LSR      ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00215054))
#define AUX_MU_MSR      ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00215058))
#define AUX_MU_SCRATCH  ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x0021505C))
#define AUX_MU_CNTL     ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00215060))
#define AUX_MU_STAT     ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00215064))
#define AUX_MU_BAUD     ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00215068))

/**
 * Set baud rate and characteristics (115200 8N1) and map to GPIO
 */
void uart_init()
{
    register unsigned int r;
    
    /* initialize UART */
    *AUX_ENABLE |=1;       // enable UART1, AUX mini uart
    *AUX_MU_IER = 0;
    *AUX_MU_CNTL = 0;
    *AUX_MU_LCR = 3;       // 8 bits
    *AUX_MU_MCR = 0;
    *AUX_MU_IER = 0;
    *AUX_MU_IIR = 0xc6;    // disable interrupts
    *AUX_MU_BAUD = 270;    // 115200 baud
    /* map UART1 to GPIO pins */
    r=*GPFSEL1;
    r&=~((7<<12)|(7<<15)); // gpio14, gpio15
    r|=(2<<12)|(2<<15);    // alt5
    *GPFSEL1 = r;
    *GPPUD = 0;            // enable pins 14 and 15
    r=150; while(r--) { asm volatile("nop"); }
    *GPPUDCLK0 = (1<<14)|(1<<15);
    r=150; while(r--) { asm volatile("nop"); }
    *GPPUDCLK0 = 0;        // flush GPIO setup
    *AUX_MU_CNTL = 3;      // enable Tx, Rx
}

/**
 * Send a character
 */
void uart_send(unsigned int c) {
    /* wait until we can send */
    do{asm volatile("nop");}while(!(*AUX_MU_LSR&0x20));
    /* write the character to the buffer */
    *AUX_MU_IO=c;
}

/**
 * Receive a character
 */
char uart_getc() {
    char r;
    /* wait until something is in the buffer */
    do{asm volatile("nop");}while(!(*AUX_MU_LSR&0x01));
    /* read it and return */
    r=(char)(*AUX_MU_IO);
    /* convert carrige return to newline */
    return r=='\r'?'\n':r;
}

/**
 * Display a string
 */
void uart_puts(char *s) {
    while(*s) {
        /* convert newline to carrige return + newline */
        if(*s=='\n')
            uart_send('\r');
        uart_send(*s++);
    }
}

/**
 * Display a binary value in hexadecimal
 */
void uart_hex(unsigned int d) {
    unsigned int n;
    int c;
    for(c=28;c>=0;c-=4) {
        // get highest tetrad
        n=(d>>c)&0xF;
        // 0-9 => '0'-'9', 10-15 => 'A'-'F'
        n+=n>9?0x37:0x30;
        uart_send(n);
    }
}

要注意的就是要先配置 AUX_ENABLES 开启 Mini UART，并且把 GPIO 14/15 的功能切换为 Alt5。

    /* map UART1 to GPIO pins */

    r=*GPFSEL1;

    r&=~((7<<12)|(7<<15)); // gpio14, gpio15

    r|=(2<<12)|(2<<15);    // alt5

    *GPFSEL1 = r;

    *GPPUD = 0;            // enable pins 14 and 15

此外他的代码操作寄存器是直接(*AUX_MU_LSR&0x01)，和之前看的SET，GET还是有点区别。

3 MailBox实现

mbox.h

/* a properly aligned buffer */
extern volatile unsigned int mbox[36];

#define MBOX_REQUEST    0

/* channels */
#define MBOX_CH_POWER   0
#define MBOX_CH_FB      1
#define MBOX_CH_VUART   2
#define MBOX_CH_VCHIQ   3
#define MBOX_CH_LEDS    4
#define MBOX_CH_BTNS    5
#define MBOX_CH_TOUCH   6
#define MBOX_CH_COUNT   7
#define MBOX_CH_PROP    8

/* tags */
#define MBOX_TAG_GETSERIAL      0x10004
#define MBOX_TAG_LAST           0

int mbox_call(unsigned char ch);

mbox.c

#include "gpio.h"

/* mailbox message buffer */
volatile unsigned int  __attribute__((aligned(16))) mbox[36];

#define VIDEOCORE_MBOX  (MMIO_BASE+0x0000B880)
#define MBOX_READ       ((volatile unsigned int*)(VIDEOCORE_MBOX+0x0))
#define MBOX_POLL       ((volatile unsigned int*)(VIDEOCORE_MBOX+0x10))
#define MBOX_SENDER     ((volatile unsigned int*)(VIDEOCORE_MBOX+0x14))
#define MBOX_STATUS     ((volatile unsigned int*)(VIDEOCORE_MBOX+0x18))
#define MBOX_CONFIG     ((volatile unsigned int*)(VIDEOCORE_MBOX+0x1C))
#define MBOX_WRITE      ((volatile unsigned int*)(VIDEOCORE_MBOX+0x20))
#define MBOX_RESPONSE   0x80000000
#define MBOX_FULL       0x80000000
#define MBOX_EMPTY      0x40000000

/**
 * Make a mailbox call. Returns 0 on failure, non-zero on success
 */
int mbox_call(unsigned char ch)
{
    unsigned int r = (((unsigned int)((unsigned long)&mbox)&~0xF) | (ch&0xF));
    /* wait until we can write to the mailbox */
    do{asm volatile("nop");}while(*MBOX_STATUS & MBOX_FULL);
    /* write the address of our message to the mailbox with channel identifier */
    *MBOX_WRITE = r;
    /* now wait for the response */
    while(1) {
        /* is there a response? */
        do{asm volatile("nop");}while(*MBOX_STATUS & MBOX_EMPTY);
        /* is it a response to our message? */
        if(r == *MBOX_READ)
            /* is it a valid successful response? */
            return mbox[1]==MBOX_RESPONSE;
    }
    return 0;
}

可以看到代码还是不难，就是一个函数mbox_call。先组合值，Mailbox 硬件协议规定，传递的内存地址必须是16 字节对齐的（即地址低 4 位必须为 0），将通道类型放进去。然后判断MBOX的状态，之后将组合好的值r写入MBOX_WRITE寄存器。此时GPU会收到一个中断并开始处理内存中的mbox数组。

之后再while1中读取响应，一旦MBOX_STATUS变化，并且MBOX_READ等于之前发送的组合值，然后第一个字节是回复标志。就表示接收成功了。

4 Main

main.c

#include "uart.h"
#include "mbox.h"

void main()
{
    // set up serial console
    uart_init();
    
    // get the board's unique serial number with a mailbox call
    mbox[0] = 8*4;                  // length of the message
    mbox[1] = MBOX_REQUEST;         // this is a request message
    
    mbox[2] = MBOX_TAG_GETSERIAL;   // get serial number command
    mbox[3] = 8;                    // buffer size
    mbox[4] = 8;
    mbox[5] = 0;                    // clear output buffer
    mbox[6] = 0;

    mbox[7] = MBOX_TAG_LAST;

    // send the message to the GPU and receive answer
    if (mbox_call(MBOX_CH_PROP)) {
        uart_puts("My serial number is: ");
        uart_hex(mbox[1]);
        uart_hex(mbox[5]);
        uart_puts("\n");
    } else {
        uart_puts("Unable to query serial!\n");
    }

    // echo everything back
    while(1) {
        uart_send(uart_getc());
    }
}

核心流程就是构建了一个查询序列号的mbox包，发送并接收，最后有一个echo循环。

还有一个就是start.S，和上一篇的几乎一样，这里就不多写了。

5 运行

在启动qemu的时候增加一个参数，-serial null -serial stdio，表示将第一个串口（UART0）挂载到空设备，将第二个串口（Mini UART）挂载到你的控制台（stdio）。

tom@PC-20241221RKUQ:~/rp3/raspi3-tutorial/04_mailboxes$ make
rm kernel8.elf *.o >/dev/null 2>/dev/null || true
aarch64-linux-gnu-gcc -Wall -O2 -ffreestanding -nostdinc -nostdlib -nostartfiles -c start.S -o start.o
aarch64-linux-gnu-gcc -Wall -O2 -ffreestanding -nostdinc -nostdlib -nostartfiles -c main.c -o main.o
aarch64-linux-gnu-gcc -Wall -O2 -ffreestanding -nostdinc -nostdlib -nostartfiles -c mbox.c -o mbox.o
aarch64-linux-gnu-gcc -Wall -O2 -ffreestanding -nostdinc -nostdlib -nostartfiles -c uart.c -o uart.o
aarch64-linux-gnu-gcc -nostdlib -nostartfiles -Wl,--hash-style=sysv start.o main.o mbox.o uart.o -T link.ld -o kernel8.elf
/usr/lib/gcc-cross/aarch64-linux-gnu/13/../../../../aarch64-linux-gnu/bin/ld: warning: kernel8.elf has a LOAD segment with RWX permissions
/usr/lib/gcc-cross/aarch64-linux-gnu/13/../../../../aarch64-linux-gnu/bin/ld: warning: .note.gnu.build-id section discarded, --build-id ignored
aarch64-linux-gnu-objcopy -O binary kernel8.elf kernel8.img
tom@PC-20241221RKUQ:~/rp3/raspi3-tutorial/04_mailboxes$ make run
qemu-system-aarch64 -M raspi3b -kernel kernel8.img -serial null -serial stdio
My serial number is: 0000000000000000

这里因为用的是QEMU模拟器，所以输出的序列号全是0。

不过试了下获取温度，mbox[2] = 0x00030006;

反而还有值。000061A8，算下来是25°。应该是QEMU模拟器的默认值。

最后，这里有一篇介绍mailbox的文章，我觉得写的也还可以：https://news.qq.com/rain/a/20250810A02TJJ00

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