基于S3C4510B系統(tǒng)的啟動流程及重映射的實現(xiàn)過程

作者：曹偉，鐘石磊，孫克怡，程凱

近年來，隨著32位芯片制造技術(shù)的不斷完善，制造成本不斷降低，國內(nèi)的32位MCU市場也開始火爆起來。越來越多的工程師開始將開發(fā)目光從8位轉(zhuǎn)移到32位微處理器上，基于32位MCU的產(chǎn)品如雨后春筍般層出不窮，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了掌上設(shè)備、家用電器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、無線通信、工業(yè)控制等。在32位微控制芯片領(lǐng)域，ARM架構(gòu)的芯片占了近70%的市場。本文中所用到的處理器正是Samsung公司生產(chǎn)的基于ARM架構(gòu)的S3C4510B。

1 S3C4510B簡介

S3C4510B是一款基于以太網(wǎng)系統(tǒng)的高性價比、高性能的16/32位RISC微處理器。芯片部集成了8KB的Cache/SRAM和Ethernet控制器，減少了整個系統(tǒng)的成本。片外可擴(kuò)展ROM、Flash、SDRAM等存儲芯片，可以移植μClinux等復(fù)雜的操作系統(tǒng)。利用操作系統(tǒng)完善的TCP/IP協(xié)議棧充分發(fā)揮芯片的網(wǎng)絡(luò)功能。S3C4510B芯片內(nèi)部沒有程序存儲器，所有程序都被存儲在片外擴(kuò)展的ROM和Flash中。開始啟動時，存有啟動代碼的ROM或Flash將被映射為0x00地址，系統(tǒng)從此開始運行。但在實際應(yīng)用中，為提高系統(tǒng)的實時性，加快代碼的執(zhí)行速度，系統(tǒng)啟動后程序往往要被搬移到RAM中，因為RAM的存取速度要比ROM快得多，這樣大大提升系統(tǒng)的性能。由于S3C4510B芯片中的異常中斷入口地址被固定在0x00開始的8個字中，系統(tǒng)只能將地址空間重新分配，把RAM映射到0x00地址處，這正是Remap的原因所在。

S3C4510B內(nèi)部有幾個特殊寄存器，用于實現(xiàn)地址空間和芯片內(nèi)外存儲介質(zhì)的映射。這幾個寄存器的簡介如下：

SYSCFG：設(shè)置特殊寄存器的起始地址和片內(nèi)SRAM的起始地址。

EXTDBWTH：設(shè)置各Bank寄存器所映射芯片的數(shù)據(jù)線寬度。

ROMCON0～ROMCON5：設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)片擴(kuò)展ROM和Flash的起始和終止地址。

DRAMCON0～DRAMCON3：設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)片外擴(kuò)展RAM的起始和終止地址。

S3C4510B芯片內(nèi)特殊寄存器段的物理地址為0x3ff0000，各特殊寄存器的偏移地址詳見S3C4510B的技術(shù)手冊。

2 S3C4510B系統(tǒng)中Remap的實現(xiàn)

地址空間的重新分配，與處理器的硬件結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)?？傮w來說，32位系統(tǒng)中的地址重映射機(jī)制可以分為兩種情況：一類是處理器內(nèi)部專門的寄存器可以完成Remap，這樣只需將Remap寄存器的相應(yīng)位置1，由硬件邏輯來完成地址的重新映射，如Atmel AT91xx系列；另一類沒有專門的Remap控制寄存器，需要重新改寫處理器內(nèi)部用于控制Memory起止地址的Bank寄存器，來實現(xiàn)Remap過程。S3C4510B屬于第二種情況。

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及地址分配

為例于對地址重映射的過程進(jìn)行分析，圖1給出了本人用于測試的基本S3C4510B的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。文中給出的所有流程及代碼都經(jīng)過了測試。

此系統(tǒng)是以Samsung公司給出的測試板為參考建立的，其中ROM的容量為512KB，8位數(shù)據(jù)總線，Remap前的地址范圍為0x0000000～0x0100000，Remap后的地址范圍為0x1000000～0x1100000；RAM的容量為16MB，32位數(shù)據(jù)總線，Remap前的地址范圍為0x0100000～0x100000，Remap后的地址范圍為0x0000000～0x1000000；Flash的容量為2MB，16位數(shù)據(jù)總線，Remap前后地址不變，均為0x1100000～0x1300000。Remap前后的地址映射關(guān)系如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)啟動過程及Remap實現(xiàn)

系統(tǒng)的地址重映射應(yīng)該在系統(tǒng)的啟動中完成，以下是S3C4510B的Remap啟動過程。

①系統(tǒng)特殊寄存器的設(shè)置。主要是配置如上所述的用于實現(xiàn)地址空間和芯片內(nèi)外存儲介質(zhì)映射的寄存器，在本系統(tǒng)中配置如下：

SYSCFG=0x87ffff90

EXTDBWTH=0x3001

ROMCON0=0x01000060

ROMCON1=0x13044060

DRAMCON0=0x11004060

②初始化系統(tǒng)堆棧。在ARM7的體系結(jié)構(gòu)中共有七種工作模式，不同的模式有不販堆棧指針，互不干擾。各模式對應(yīng)于不販異常中斷，至于哪些模式的堆棧需要初始化取決于用戶使用了哪些中斷，以及系統(tǒng)需要處理些異常類型。一般來說，管理者（SVC）堆棧必須設(shè)置，如果使用了IRQ中斷，則IRQ堆棧也必須設(shè)置。有一點需要注意的是，為保證Remap后程序運行正常，所有堆棧應(yīng)設(shè)置在RAM的高端地址中。

③初始化I/O口、UART、定時器、中斷控制器以及系統(tǒng)中所用到的其它資源。在初始化異常向量表或修改異常向量表中的入口地址前，要關(guān)掉所有中斷。

④異常向量表的初始化。將民常中煌怛處理程序的入口地址寫入RAM中相應(yīng)的異常向量。必須保證的是，異常向量表絕對不會被從ROM搬移到RAM中的代碼和數(shù)據(jù)所覆蓋，為此，異常向量表一般被定義在RAM中的高端地址中。

⑤程序代碼及數(shù)據(jù)的搬移。Remap后，RAM被映射到0x0000的地址空間，ROM則被移到高端地址上。為保證Remap后程序能夠瞠運行，ROM中的代碼和數(shù)據(jù)必須地址不變地被移到RAM中。這是Remap成功的關(guān)鍵。兩種途徑可以實現(xiàn)搬移。

一種是不管實際的代碼空間有多大，直接將ROM地址空間整個搬移到RAM中。當(dāng)然，這種方法并不適合在真正的啟動代碼中使用，但在做初步的Remap測試時，可以用來檢驗堆棧及異常中斷的設(shè)置是否合理。

另一種方法較復(fù)雜，它使用了SDT鏈接器ARMLink產(chǎn)生的定位信息，僅把RO風(fēng)吹草動的有效代碼和數(shù)據(jù)段到RAM中。ARMLink將編譯后的程序鏈接成ELF文件。映像文件內(nèi)部共有三種輸出段：RO段、RW段和ZI段。這三種輸出段分別包含了只讀代碼及包含在代碼段中的少量數(shù)據(jù)、可讀寫的數(shù)據(jù)、初始化為0的數(shù)據(jù)，ARMLink同時還產(chǎn)生了這三種輸出段的起始和終止定位信息：Image$$RO$$Base、Image$$RO$$Limit、Image$$RW$$Base、Image$$Limit、Image$$Linit和Image$$ZI$$Limit。可以在程序中使用這些定位信息。將ROM中的代碼和數(shù)據(jù)搬移到RAM中，其實現(xiàn)代碼如下：

數(shù)據(jù)定義：

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|

源程序：

；將ROM中的程序搬移到RAM中，重映射后的地址不變

adr r0，ResetEntry ;ROM中程序起始地址

mov r3，#（RamBaseAddr《《16） ;RamBaseAddr=0x100

Idr r1，BaseOfROM

Idr r2，TopOfROM

Add r1，r1，r3

Add r2，r2，r3

0

Idmia r0！，{r4-r11}

Stmia r1！，{r4-r11}

Cmp r1，r2

Bcc%B0

;將RW段中預(yù)初始化的變量搬移到RAM中

sub r1，r1，r2

sub r0，r0，r1 ;將r0指向RO段的結(jié)束，即RW段的開始

ldr r1，BaseOfBSS

Idr r2，BaseOfZero

Add r1，r1，3

Add r2，r2，r3

1 ；基于局部標(biāo)號的相對跳轉(zhuǎn)，PC+偏移地址，產(chǎn)生與位置無關(guān)的代碼

cmp r1，r2

ldrcc r4，［r0］，#4

strcc r4，［r1］，#4

bcc %B1

；接著把ZI段搬移到RAM中，并其將初始化為0

mov r0，#0

Idr r2，EndOfBSS

Add r2，r2，r3

2

cmp r1，2

strcc r0，［r1］，#4

bcc%B2

⑥地址的重新映射。S3C4510B中的Remap過程其實很簡單，只需重新設(shè)置ROMCON0～ROMCON5和DRAMCON0～DRAMCON3。在本系統(tǒng)中只需重新設(shè)置ROMCON0和DRAMCON0。

源代碼：

；/*內(nèi)存控制寄存器重新設(shè)置-存儲空間重新映射地址空間*/

EXPORT RemapMemory

RemapMemory

mov r12，r14

adr r0，RemapMem

ldmia r0，{r1-r11}

ldr r0，=ROMCON0 ;ROMCON0為Bank寄存器的起始地址

stmia r0，{r1-r11}

bl ExceptionTalbeInit ;中斷向量表重新初始化

mov pc，r12

RemapMem

DCD %26;amp;11040060 ;/*ROMCON0 0x1000000～0x1100000*/

…

DCD %26;amp;10000398 ；/*DRACON0 0x0～0x1000000*/

…

⑦進(jìn)入C代碼空間，開始主程序的運行。此時代碼應(yīng)該運行于RAM中。

上面的步驟可以根據(jù)實際需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶砑踊騽h節(jié)。值得注意的是：匯編生成的代碼應(yīng)該是與位置無關(guān)的代碼，即代碼在運行期間可以被映射到不同的地址空間，其中的跳轉(zhuǎn)指令都是基于PC寄存器的相對跳轉(zhuǎn)指令?；赑C的標(biāo)號是位于目標(biāo)指令前或者程序中數(shù)據(jù)定義偽操作前的標(biāo)號，這種符號在匯編時將被處理成PC值加上或減去一個數(shù)字常量。

3 異常中斷的處理

在Remap的啟動代碼中，需要特別注意的是異常中斷的處理。在S3C4510B中，異常中斷的入口地址是固定的，按表1次序排列。

地址重新映射之后，入口地址被映射到RAM中，中斷處理代碼也被搬移到RAM地址空是。此時，中斷響應(yīng)和中斷處理的速度都將大大加快，這將有利于提高整個系統(tǒng)的實時性。異常中斷向量表的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

下面是各部分的源代碼（以IRQ異常中斷為例）。

異常向量表的定義：（系統(tǒng)初始化時，將異常處理代碼入口地址寫入異常中的向量表）

_RAM_END_ADDR EQU 0x01000000 ;重映射后RAM的終止地址

MAP （_RAM_END_ADDR-0x100）

SYS_RST_VECTOR # 4

UDF_INS_VECTOR # 4

SWI_SVC_VECTOR # 4

INS_ABT_VECTOR # 4

DAT_ABT_VECTOR # 4

RESERVED_VECTOR # 4

IRQ_SVC_VECTOR # 4

FIQ_SVC_VECTOR # 4

異常初始化代碼：

…

b IRQ_SVC_HANDLER ;0x18

…

IRQ_SVC_HANDLER

SUB sp，sp，#4 ；滿遞減堆棧

STMFD sp！，{r0}

LDR r0，=IRQ_SVC_VECTOR ;讀取中斷向量，

；IRQ_SVC_VECTOR=SystemrqHandle

LDR r0，［r0］

STR r0，［sp，#4］

LDMFD sp！，{r0，pc}；跳轉(zhuǎn)到異常中斷處理代碼入口

異常處理入口代碼：

…

SystemIrqHandler

IMPORT ISR_IrqHandler

STMFD sp！，{r0-r12，lr}

BL ISR_IrqHandler ;跳轉(zhuǎn)到C代碼中異常中斷處理程序ISR_IrqHandler

LDMFD sp！，{r0-r12，lr}

SUBS pc，lr，#4

…

在如上的結(jié)構(gòu)中，不管系統(tǒng)是否進(jìn)行了地址的重映射，異常中斷向量都可以在運行時動態(tài)改變，大大提高了中斷處理中的靈活性。中斷向量可以在運行時指向不同的異常處理代碼入口。

結(jié)語

面對實時性要求越來越高的各種應(yīng)用，不管應(yīng)用中有沒有嵌入式操作系統(tǒng)，Remap都已經(jīng)成為啟動代碼中必不可少的一部分。Remap的實現(xiàn)對于操作系統(tǒng)的移植也有重要的意義。Remap決定了系統(tǒng)啟動的效率，并對整個系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。因而，對Remap過程的理解和設(shè)計，對于那些嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員來說是非常重要的，它從一開始就決定了整個開發(fā)過程的最終成敗。

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