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標題: ARM2440的啟動模式 [打印本頁]

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作者: hongniu    時間: 2015-6-26 23:04
標題: ARM2440的啟動模式
研究arm也有2個月了，現(xiàn)在才感覺理解了arm在Nand flash模式下的啟動過程，現(xiàn)在來這里記錄下來以表達我無比喜悅的心情。閑話少說，趁著還沒有忘記學習過程中的感受，直接進入正題。

大家都知道，arm在Nand flash啟動模式下啟動時系統(tǒng)會將Nand flash中的前4KB代碼拷貝到SRAM（也就是Steppingstone中），由SRAM配置中斷向量表和完成Nand flash訪問的必要初始化，然后將Nand flash中的全部程序代碼拷貝到SDRAM中，最后由SRAM跳轉到SDRAM，然后程序就正常執(zhí)行了，這一過程看上去很簡單，但是真正理解這一過程還是不簡單的，盡管這樣，還是想告訴大家仔細理解還是比較容易理解這個過程的。如果您是ADS用戶，你省去了很多麻煩，但我不確定你省去的這些麻煩是否值得，這里介紹的是一種麻煩的方式，linux下的led程序。

代碼Head.s

• .extern main
• .text
• .global _start
• _start:
•     b reset
• reset:
•     ldr sp,=4096
•     bl disable_watch_dog
•     bl clock_init
•     bl memsetup
•     bl copy_steppingstone_to_sdram
•     ldr pc,=on_sdram
• on_sdram:
•     msr cpsr_c,#0xdf
•     ldr sp,=0x34000000
•     ldr lr,=halt_loop
•     ldr pc,=Main
• halt_loop:
•     b halt_loop
  

我認為，最需要理解的就是這段代碼了。先簡單的解釋下這段代碼。

（1）由于arm執(zhí)行reset之后pc會被清零，也就是reset中斷的中斷入口地址，因此，第一條指令就是b reset，跳轉到reset中斷處理函數(shù)。

（2）由于這里硬件配置都是C語言來完成的，而且我們的初始代碼比較小，完全不會超出4KB，因此可以在SRAM使用堆棧，故將SP設置為4096，以提供C運行環(huán)境

（3）接下來的3個bl分別完成了關閉看門夠定時器，配置時鐘信號和存儲器配置的工作，第四個bl是將SRAM的4KB空間內(nèi)的代碼拷貝到了SDRAM中。

（4）接下來的ldr句將pc賦值為on_sdram的地址，實現(xiàn)了從SRAM到SDRAM的跳轉（下面會講為什么）

（5）on_sdram中切換到了了系統(tǒng)模式然后分配了系統(tǒng)模式堆棧，將鏈接寄存器設置為halt_loop然后就跳轉到了SDRAM中的Main

上面的解釋只是大體上說明了代碼的意思，但是初學者總會有個疑問就是為什么ldr pc,=on_sdram就實現(xiàn)了從SRAM到SDRAM的跳轉呢？我被這個問題困擾了很長時間，到今天才想明白了這個問題，問題的關鍵就是相對跳轉和絕對跳轉的問題。為了說明這個問題我先解釋一下bl指令跟ldr指令在執(zhí)行過程中的區(qū)別。

B指令是相對跳轉指令，B 指令是最簡單的跳轉指令。一旦遇到一個 B 指令，ARM 處理器將立即跳轉到給定的目標地址，從那里繼續(xù)執(zhí)行。注意存儲在跳轉指令中的實際值是相對當前PC 值的一個偏移量，而不是一個絕對地址，它的值由匯編器來計算（參考尋址方式中的相對尋址）。它是 24 位有符號數(shù)，左移兩位后有符號擴展為 32 位，表示的有效偏移為 26 位(前后32MB 的地址空間)，同樣的，BL、BX都是相對跳轉。

LDR偽指令是將第二操作直接賦值給第一操作數(shù)，當執(zhí)行l(wèi)dr pc,=Main時是將Main的絕對地址賦值給了PC。

好了，知道這兩個指令的區(qū)別之后我們來看代碼是如何實現(xiàn)的從SRAM到SDRAM的跳轉，首先需要指出，2440的開發(fā)板有SRAM和SDRAM，SRAM是從地址0x00000000開始的4KB內(nèi)存空間，SDRAM是從0x30000000開始的64M空間。

無論用ADS編譯還是用arm-linux-gcc編譯都會將代碼鏈接到0x30000000以后（也就是SDRAM中），ADS用戶可以通過查看ADS的工程配置，其中有項配置是RO起始地址是0x30000000，linux用戶在鏈接時需要用-T指定代碼的其實地址為0x30000000。

根據(jù)編譯原理，在鏈接階段程序中函數(shù)的地址就已經(jīng)確定了，也就是說函數(shù)的實際地址都在0x30000000之后，而程序的入口函數(shù)也就是這里的_start的地址就是0x300000000，其他函數(shù)都會大于這個數(shù)。

但是由于arm上電后系統(tǒng)會將Nand flash的前4KB代碼拷貝到SRAM中，也就是_start函數(shù)開始的4KB指令將被拷貝到SRAM中執(zhí)行，根據(jù)上例，在0x00000000處執(zhí)行的指令就是“b reset”，由于b是相對跳轉，是在當前pc值的基礎上加減某個數(shù)而跳轉到將要執(zhí)行的代碼處，因此，pc加減該數(shù)之后將到達reset函數(shù)的位置，故reset函數(shù)不能寫到4KB之外的空間中，否則arm的啟動將會失敗，同樣的，接下來的幾個bl都是執(zhí)行的相對跳轉，所以都相對當前pc進行的跳轉，由于Nand flash總共只有64M的空間，所以相對跳轉是不可能會跳轉到SDRAM的，因為跳轉到SDRAM至少要發(fā)生0x30000000的跳轉，而這個相對位移遠遠大于64M。

而ldr pc,=Main是將Main函數(shù)的實際地址賦值給pc，而Main的實際地址是在0x30000000之后，這樣，就從SRAM跳轉到了SDRAM。

由于這個過程設計到了硬件格局和編譯原理，所以對一般人來講，理解起來確實比較困難，而且受本人水平限制，很多地方只能說是只可意會不可言傳，如果誤導了大家請大家諒解。當然如果看到這里還不能理解arm的啟動過程可以聯(lián)系QQ630905224來討論這個問題。下面是相關的其他代碼，我附在這里，2440addr.h沒有貼出，由于我也是使用arm自帶示例程序中的代碼，而且代碼有四千多行，多數(shù)地址是沒有用到的，如果有人需要就聯(lián)系我的QQ吧。其他的代碼如下

代碼Init.s

• #include "2440addr.h"
• void disable_watch_dog(void);
• void clock_init(void);
• void memsetup(void);
• void copy_steppingstone_to_sdram(void);
• void inituart(void);
• void disable_watch_dog(void)
• {
•     rWTCON = 0;
• }
• void clock_init(void)
• {
•     rCLKDIVN  = 0x03;
•     /*
•      *如果HDIVN非0，CPU的總線模式應該從
•      *“fast bus mode”變?yōu)椤癮synchronous
•      *bus mode”
•      */
•     __asm__(
•             "mrc    p15, 0, r1, c1, c0, 0\n"
•             "orr    r1, r1, #0xc0000000\n"
•             "mcr    p15, 0, r1, c1, c0, 0\n"
•            );
•     rMPLLCON = (92<<12)|(1<<4)|(2);
•     //rMPLLCON =  ((0x5c<<12)|(0x01<<4)|(0x02));
• }
• void memsetup(void)
• {
•     volatile unsigned long *p = (volatile unsigned long *)0x48000000;
•     /* 這個函數(shù)之所以這樣賦值，而不是像前面的實驗(比如mmu實驗)那樣將配置值
•      * 寫在數(shù)組中，是因為要生成”位置無關的代碼”，使得這個函數(shù)可以在被復制到
•      * SDRAM之前就可以在steppingstone中運行
•      */
•     /* 存儲控制器13個寄存器的值 */
•     p[0] = 0x22011110;     //BWSCON
•     p[1] = 0x00000700;     //BANKCON0
•     p[2] = 0x00000700;     //BANKCON1
•     p[3] = 0x00000700;     //BANKCON2
•     p[4] = 0x00000700;     //BANKCON3
•     p[5] = 0x00000700;     //BANKCON4
•     p[6] = 0x00000700;     //BANKCON5
•     p[7] = 0x00018005;     //BANKCON6
•     p[8] = 0x00018005;     //BANKCON7
•     /* REFRESH,
•      * HCLK=12MHz:  0x008C07A3,
•      * HCLK=100MHz: 0x008C04F4
•      */
•     p[9]  = 0x008C04F4;
•     p[10] = 0x000000B1;     //BANKSIZE
•     p[11] = 0x00000030;     //MRSRB6
•     p[12] = 0x00000030;     //MRSRB7
• }
• void copy_steppingstone_to_sdram(void)
• {
•     unsigned int *pdwSrc  = (unsigned int *)0;
•     unsigned int *pdwDest = (unsigned int *)0x30000000;
•     while (pdwSrc < (unsigned int *)4096)
•     {
•         *pdwDest = *pdwSrc;
•         pdwDest++;
•         pdwSrc++;
•     }
• }
  

=======================================================================

一般而言，一個程序包括只讀的代碼段和可讀寫的數(shù)據(jù)段。在ARM的集成開發(fā)環(huán)境中，只讀的代碼段和常量被稱作RO段(ReadOnly)；可讀寫的全局變量和靜態(tài)變量被稱作RW段(ReadWrite)；RW段中要被初始化為零的變量被稱為ZI段(ZeroInit)。對于嵌入式系統(tǒng)而言，程序映象都是存儲在Flash存儲器等一些非易失性器件中的，而在運行時，程序中的RW段必須重新裝載到可讀寫的RAM中。這就涉及到程序的加載時域和運行時域。簡單來說，程序的加載時域就是指程序燒入Flash中的狀態(tài)，運行時域是指程序執(zhí)行時的狀態(tài)。對于比較簡單的情況，可以在ADS集成開發(fā)環(huán)境的ARM LINKER選項中指定RO BASE和RW BASE，告知連接器RO和RW的連接基地址。對于復雜情況，如RO段被分成幾部分并映射到存儲空間的多個地方時，需要創(chuàng)建一個稱為“分布裝載描述文件”的文本文件，通知連接器把程序的某一部分連接在存儲器的某個地址空間。需要指出的是，分布裝載描述文件中的定義要按照系統(tǒng)重定向后的存儲器分布情況進行。在引導程序完成初始化的任務后，應該把主程序轉移到RAM中去運行，以加快系統(tǒng)的運行速度。

            什么是arm的映像文件，arm映像文件其實就是可執(zhí)行文件，包括bin或hex兩種格式，可以直接燒到rom里執(zhí)行。在axd調(diào)試過程中，我們調(diào)試的是axf文件，其實這也是一種映像文件，它只是在bin文件中加了一個文件頭和一些調(diào)試信息。映像文件一般由域組成，域最多由三個輸出段組成(RO,RW,ZI)組成，輸出段又由輸入段組成。所謂域，指的就是整個bin映像文件所處在的區(qū)域，它又分為加載域和運行域。加載域就是映像文件被靜態(tài)存放的工作區(qū)域，一般來說flash里的 整個bin文件所在的地址空間就是加載域，當然在程序一般都不會放在 flash里執(zhí)行，一般都會搬到sdram里運行工作，它們在被搬到sdram里工作所處的地址空間就是運行域。

        我們輸入的代碼，一般有代碼部分和數(shù)據(jù)部分，這就是所謂的輸入段，經(jīng)過編譯后就變成了bin文件中ro段和rw段，還有所謂的zi段，這就是輸出段。對于加載域中的輸出段，一般來說ro段后面緊跟著rw段，rw段后面緊跟著zi段。在運行域中這些輸出段并不連續(xù)，但rw和zi一定是連著的。zi段和rw段中的數(shù)據(jù)其實可以是rw屬性。

                | Image

RO

Base| |Image

RO

Limit| |Image

RW

Base| |Image

ZI

Base| |Image

ZI

Limit|這幾個變量是編譯器通知的，我們在 makefile文件中可以看到它們的值。它們指示了在運行域中各個輸出段所處的地址空間。| Image

RO

Base| 就是ro段在運行域中的起始地址，|Image

RO

Limit| 是ro段在運行域中的截止地址。其它依次類推。我們可以在linker的output中指定，在 simple模式中，ro base對應的就是| Image

RO

Base|，rw base 對應的是|Image

RW

Base|，由于rw和zi相連，|Image

ZI

Base| 就等于|Image

ZI

limit| .其它的值都是編譯器自動計算出來的。

            下面是2410啟動代碼的搬運部分，我給出注釋
            BaseOfROM DCD |Image

RO

Base|
            TopOfROM DCD |Image

RO

Limit|
            BaseOfBSS DCD |Image

RW

Base|
            BaseOfZero DCD |Image

ZI

Base|
            EndOfBSS DCD |Image

ZI

Limit|
            adr r0, ResetEntry;    ResetEntry是復位運行時域的起始地址，在boot nand中一般是0
            ldr r2, BaseOfROM;
            cmp r0, r2
            ldreq r0, TopOfROM;TopOfROM=0x30001de0，代碼段地址的結束
            beq InitRam
            ldr r3, TopOfROM
            ；part 1，通過比較，將ro搬到sdram里，搬到的目的地址從 | Image

RO

Base| 開始，到|Image

RO

Limit|結束
            
            0
            ldmia r0!, {r4-r7}
            stmia r2!, {r4-r7}
            cmp r2, r3
            bcc %B0;
            
            ；part 2，搬rw段到sdram，目的地址從|Image

RW

Base| 開始，到|Image

ZI

Base|結束
            sub r2, r2, r3;r2=0
            sub r0, r0, r2   
            InitRam ;carry rw to baseofBSS
            ldr r2, BaseOfBSS ;TopOfROM=0x30001de0,baseofrw
            ldr r3, BaseOfZero ;BaseOfZero=0x30001de0
            0
            cmp r2, r3
            ldrcc r1, [r0], #4
            strcc r1, [r2], #4
            bcc %B0
            ；part 3，將sdram zi初始化為0，地址從|Image

ZI

Base|到|Image

ZI

Limit|
            mov r0, #0;init 0
            ldr r3, EndOfBSS;EndOfBSS=30001e40
            1
            cmp r2, r3
            strcc r0, [r2], #4
            bcc %B1



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一 概述

Scatter file (分散加載描述文件)用于armlink的輸入?yún)��?shù)，他指定映像文件內(nèi)部各區(qū)域的download與運行時位置。Armlink將會根據(jù)scatter file生成一些區(qū)域相關的符號，他們是全局的供用戶建立運行時環(huán)境時使用。（注意：當使用了scatter file 時將不會生成以下符號 Image

RW

Base, Image

RW

Limit, Image

RO

Base, Image

RO

Limit, Image

ZI

Base, and Image

ZI

Limit）

二 什么時候使用scatter file

       當然首要的條件是你在利用ADS進行項目開發(fā)，下面我們看看更具體的一些情況。
1 存在復雜的地址映射：例如代碼和數(shù)據(jù)需要分開放在在多個區(qū)域。
2 存在多種存儲器類型：例如包含 Flash,ROM,SDRAM,快速SRAM。我們根據(jù)代碼與數(shù)據(jù)的特性把他們放在不同的存儲器中，比如中斷處理部分放在快速SRAM內(nèi)部來提高響應速度，而把不常用到的代碼放到速度比較慢的Flash內(nèi)。
3 函數(shù)的地址固定定位：可以利用Scatter file實現(xiàn)把某個函數(shù)放在固定地址，而不管其應用程序是否已經(jīng)改變或重新編譯。
4 利用符號確定堆與堆棧：
5 內(nèi)存映射的IO：采用scatter file可以實現(xiàn)把某個數(shù)據(jù)段放在精確的地指處。
因此對于嵌入式系統(tǒng)來說scatter file是必不可少的，因為嵌入式系統(tǒng)采用了ROM，RAM，和內(nèi)存映射的IO。

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