迅為4412開發板源碼分析之協處理器

ID:234049 · 發表于 2019-8-1 11:33

本文分析 4412 的 uboot 源碼，結合 uboot 源碼來分析 uboot 完成了哪些工作。分析的源碼文件是“cpu/ARM_cortexa9/start.S”文件。

1 源碼分析

.globl _start ：globl 類似 C 語言中的 Extern，類似定義一個全局函數_start,外部可以訪問_start，_start 是整個 uboot 的入口，第一行代碼就是從這里開始執行的。
_start: b reset :_start:表示進入到“全局函數”_start 的主體結構； b reset 表示跳到 reset。類似 c 語言中的 goto reset，跳轉到 reset。_start 中在正常啟動的時候只運行一條語句“b reset”，就跳轉到 reset，剩余部分不會執行。
_start“全局函數”剩下的部分，在出現異常情況下，它會強制跳到異常處理代碼中。
ldr pc, _undefined_instruction //“未定義指令”的時候，系統所要去執行的代碼。
ldr pc, _software_interrupt //軟件中斷
ldr pc, _prefetch_abort //預取指錯誤
ldr pc, _data_abort //數據錯誤
ldr pc, _not_used //未定義
ldr pc, _irq //（普通）中斷
ldr pc, _fiq //快速中斷

以下代碼是異常向量地址。

下面的代碼表示接下來的代碼，都要 16 字節對齊，不足之處，用 0xdeadbeef 填充

接著看一下 reset 主體部分，將其中#IF 0 等無關部分去掉，有效代碼如下所示。
可以先直接看注釋，不具體看每一行匯編的含義。
將 CPU 設置為 SVC32 模式。

cache 初始化和關閉。

關閉 TLBs，和 icache。

關閉 MMU 和 caches。

大家可能對以上名詞比較陌生，事實上不理解這部分，并不影響我們移植新的 uboot，只需要將這部分和新的 uboot 這部分對比，有不同的地方修改下就成。

4412 開發板，使用的處理器是 Exynos 4412，它是采用 arm v7 指令集（體系結構），cortex a9 架構（CPU 核心內構），關于 cache、MMU 和 TLBs 等概念，在 4412 的datasheet 中是沒有描述。如果大家感興趣，可以在 ARM 官網中搜索文檔。

arm 官網網址：
https://developer.arm.com/
作者下載了 A9 架構“DDI0388I_cortex_a9_r4p1_trm.pdf”的文檔，這個文檔中有關于這幾個寄存器詳細介紹，如果大家非常感興趣，可以讀一讀。
在移植新的 uboot 時，這部分只需要將代碼 copy 過去即可，更多的情況是，uboot 新版的源碼中自帶這部分源碼。

這里給大家簡要介紹下上面的幾個重要名詞概念。
3.2.2 ARM 的協處理器
作者將介紹前面涉及到的寄存器（SVC32、MMU 和 iCACHE 等寄存器），對應的 ARM官方英文文檔來來回回看了好多遍，發現“協處理器”這個翻譯讓人很困惑。
“協助處理器”在網上有人這么描述“協處理器是一種芯片，用于減輕系統微處理器的特定處理任務。”
關于 ARM 處理器的協處理器，有這樣定義的“協處理器可以附屬于 ARM 處理器。一個協處理器通過擴展指令集或提供配置寄存器來擴展內核處理功能。一個或多個協處理器可以通
過協處理器接口與 ARM 內核相連�！�
如果定義“協處理器”為一般用來指輔助 CPU 的芯片，這樣獨立顯卡中的芯片也可以稱為協處理器。如果使用“協處理器可以附屬 ARM...”，那么 4412 中的硬件解碼、3D 圖形處理等也可以稱為協處理器。
作者覺得還是要看 ARM 官網文檔是如何描述這部分內容，如下圖所示。

上面紅色框中，第一行翻譯為“系統控制協處理器”，我覺得用“系統控制協處理器”還是容易理解，可以接收。它包含了 15 個特殊的寄存器，主要提供“所有的系統控制和配置”、“MMC 控制和管理”、“cache 控制和管理”和“系統性能監控”功能。

在 ARM 的匯編代碼中，凡是看到“mrc”和“mcr”指令，就表明接下來有一小段代碼用來控制協處理器（后面全部簡稱為協處理器）。具體的含義，可以通過注釋了解下，如果特別感興趣，可以看下關于文檔，里面對每一 bit 的作用都有詳細的描述。
3.2.3 SVC32 模式在協處理器操作中，首先是將系統設置為 SVC32 工作模式，ARM 系統有 7 種工作模式：

除了用戶模式之外的其他 6 種處理器模式稱為特權模式，特權模式下，程序可以訪問所有的系統資源，也可以任意地進行處理器模式的切換。特權模式中，除系統模式外，其他 5 種模式又稱為異常模式。大多數的用戶程序運行在用戶模式下，此時，應用程序不能夠訪問一些受操作系統保護的系統資源，應用程序也不能直接進行處理器模式的切換。用戶模式下，當需要進行處理器模式切換時，應用程序可以產生異常處理，在異常處理中進行處理器模式的切換。
svc 模式是特權模式，可以訪問受限制的資源，它和 sys 模式所用的寄存器組是一樣的，但是 svc 模式下的一些資源是 sys 模式不能訪問的。
uboot 要完成初始化硬件的工作，最終目標是啟動 kernel，在 uboot 跳轉到 kernel 之前，MPU 需要設置為 svc 模式。
結合在 uboot 完成初始化硬件和引導內核的功能來分析，在 uboot 初始化階段就應該將uboot 設置為 svc 模式。

3.3.4 MMU 內存管理單元在協處理器中，最重要的是內存管理單元。它是一種負責處理中央處理器的內存訪問請求的計算機硬件。它的功能包括虛擬地址到物理地址的轉換（即虛擬內存管理）、內存保護、中央處理器高速緩存的控制。
如果學習過驅動教程，會了解到在內核源碼中，操作 GPIO 的時候，操作的是虛擬地址，而不是物理地址。MMU 是物理地址和虛擬地址轉化的控制單元。
cache 是高速緩存，cpu 的處理速度越來越快，假如 CPU 直接和內存通信，內存的速度仍然達不到要求，CPU 要通過高速緩存來和內存通信，高速緩存的速度比內存要快。
TLB 是用于鏈接 cache 和內存，mmu 用于鏈接內存和物理地址。
這里我們需要理解的是，在系統啟動過程中，cpu 和內存之間要完成通信，首先需要 TLB實現 cache 和內存之間的地址映射，通過 mmu 實現虛擬地址和物理地址之間的映射。
如果不將 mmu、TLB 以及 cache 關閉，cpu 可能會直接去 cache 取值，這個時候內存和 cache 之間可能還無法正常通信，可能導致 cpu 讀取數據出現錯誤。
關于協處理器就介紹完畢了，涉及到的匯編指令，這部分建議只通過附錄來了解一下。我們要盡快掌握全貌，不能陷入到某一個概念中，而且這部分也不影響最終目標--uboot 的移植。

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