LPC2104的Boot與Remap詳解（一）－－－（原創(chuàng)）

時(shí)間：2005-03-10 19:41:00

關(guān)鍵字： BOOT REMAP LPC2104 BSP

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andrewpei 發(fā)表于 2005-3-10 17:09 Philips ARM ←返回版面

開場白

    最近在學(xué)習(xí)ARM的過程中，遇到了一些以前在8位機(jī)、16位機(jī)應(yīng)用中所沒有見過的專業(yè)術(shù)語。其中，比較困擾和麻煩的兩個(gè)名詞術(shù)語就是“Boot”與“Remap”。同時(shí)，在網(wǎng)上也經(jīng)常見到有網(wǎng)友就這兩個(gè)技術(shù)名詞提出疑問。好在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)是如此發(fā)達(dá)，使得我們可以很快就得到許多老師和老鳥的解答。經(jīng)過這一段時(shí)間的閱讀與實(shí)踐，算是將這個(gè)概念基本給理出了個(gè)頭緒，借此機(jī)會(huì)，以自己的理解總結(jié)一下，貼到BBS上來，與廣大網(wǎng)友們分享，如有不當(dāng)之處，板磚且慢，因?yàn)槲屹N此文的目的是拋“磚”引“玉”，不是引“磚”！Bow！

兩個(gè)專業(yè)名詞—非易失性存儲(chǔ)器和易失性存儲(chǔ)器
非易失性存儲(chǔ)器：指掉電后在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)依然能有效保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。如EEPROM， EPROM，F(xiàn)LASH等。
易失性存儲(chǔ)器：指掉電后迅速喪失存儲(chǔ)能力的存儲(chǔ)器。如SRAM，SDRAM等。

參考讀物：3G時(shí)代存儲(chǔ)器眾生相（電子設(shè)計(jì)技術(shù)2005年第2期）

OK，一切就緒，Let's GO！

引言
    隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)與處理器設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷提高，嵌入式處理器的速度愈來愈快；而非易失性存儲(chǔ)器的讀取速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上CPU的發(fā)展。傳統(tǒng)的單片機(jī)運(yùn)行模式——機(jī)器代碼存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器（如ROM，F(xiàn)LASH），在運(yùn)行時(shí)由CPU直接從其中取出指令執(zhí)行——逐漸顯得力不從心。如果繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的程序運(yùn)行模式，那么在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)高速CPU將處于空閑等待狀態(tài)，這既浪費(fèi)了CPU的計(jì)算能力，也無法實(shí)現(xiàn)高密度數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)處理與傳輸。而在短期之內(nèi)，半導(dǎo)體工業(yè)界尚無法實(shí)現(xiàn)低成本的非易失性高速存儲(chǔ)器技術(shù)。為了解決上述處理器和非易失性存儲(chǔ)器之間速度不匹配的矛盾，工程師們?cè)谇度胧较到y(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)引用了Boot技術(shù)和Remap技術(shù)。而要正確理解Boot技術(shù)和Remap技術(shù)，必須先建立Memory Map（存儲(chǔ)器映射）的概念。

技術(shù)概念描述

Memory Map
    計(jì)算機(jī)最重要的功能單元之一是Memory。Memory是眾多存儲(chǔ)單元的集合，為了使CPU準(zhǔn)確地找到存儲(chǔ)有某個(gè)信息的存儲(chǔ)單元，必須為這些單元分配一個(gè)相互區(qū)別的“身份證號(hào)”，這個(gè)“身份證號(hào)”就是地址編碼。在嵌入式處理器內(nèi)，集成了多種類型的Memory，通常，我們稱同一類型的Memory為一個(gè)Memory Block。一般情況下，處理器設(shè)計(jì)者會(huì)為每一個(gè)Memory Block分配一個(gè)數(shù)值連續(xù)、數(shù)目與其存儲(chǔ)單元數(shù)相等、以16進(jìn)制表示的自然數(shù)集合作為該Memory Block的地址編碼。這種自然數(shù)集合與Memory Block的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就是Memory Map（存儲(chǔ)器映射），有時(shí)也叫Address Map（地址映射）。實(shí)際上，Address Map在字面意義上更加貼切。

    需要強(qiáng)調(diào)的是，Memory Map是一個(gè)邏輯概念，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在（上電）復(fù)位后才建立起來的。Memory Map相當(dāng)于這樣一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)：函數(shù)的輸入量是地址編碼，輸出量被尋址單元中的數(shù)據(jù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)掉電后或復(fù)位時(shí)，這個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)不復(fù)存在，只剩下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)的物理基礎(chǔ)——電路連接。也可以這樣認(rèn)為：Memory Map是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（上電）復(fù)位時(shí)的預(yù)備動(dòng)作，是一個(gè)將CPU所擁有的地址編碼資源向系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)物理存儲(chǔ)器塊分配的自動(dòng)過程。

Boot/Bootload
    Boot在計(jì)算機(jī)專業(yè)英文中的意思是“引導(dǎo)”，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（上電）復(fù)位后CPU的第一個(gè)機(jī)器動(dòng)作。那么，Boot引導(dǎo)的是什么呢？簡要地說，Boot就是引導(dǎo)CPU如何裝入機(jī)器指令。最簡單的Boot動(dòng)作就是8位單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位后從復(fù)位向量中取出跳轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)移到用戶程序代碼段執(zhí)行的這個(gè)過程。

    通常，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，（上電）復(fù)位后除了執(zhí)行Boot動(dòng)作，還跟隨著一個(gè)Load過程。一般情況下，該Load從低速非易失性存儲(chǔ)器中“搬運(yùn)”一些數(shù)據(jù)到高速易失性存儲(chǔ)器中。Boot和Load連續(xù)執(zhí)行，一氣呵成，我們稱之為Bootload。最典型的例子之一就是DSP實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)，系統(tǒng)上電后，將存儲(chǔ)在EEPROM中的實(shí)時(shí)信號(hào)處理程序復(fù)制到系統(tǒng)的RAM中，然后CPU直接從RAM中讀取機(jī)器指令運(yùn)行。

Remap
    Remap與計(jì)算機(jī)的異常處理機(jī)制是緊密相關(guān)的。

    完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須具備異常處理能力。當(dāng)異常產(chǎn)生時(shí)，CPU在硬件驅(qū)動(dòng)機(jī)制下跳轉(zhuǎn)到預(yù)先設(shè)定的存儲(chǔ)器單元中，取出相應(yīng)的異常處理程序的入口地址，并根據(jù)該入口地址進(jìn)入異常處理程序。這個(gè)保存有異常處理程序入口地址的存儲(chǔ)器單元就是通常所說的“異常入口”，單片機(jī)系統(tǒng)中也叫“中斷入口”。實(shí)際的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有多種類型的異常，CPU設(shè)計(jì)人員為了簡化芯片設(shè)計(jì)，一般將所有的異常入口集中起來置于非易失性存儲(chǔ)器中，并在系統(tǒng)上電時(shí)映射到一個(gè)固定的連續(xù)地址空間上。位于這個(gè)地址空間上的異常入口集合就是“異常向量表”。

    系統(tǒng)上電后的異常向量表是從低速非易失性存儲(chǔ)器映射得到的。隨著處理器速度的不斷提高，很自然地，人們希望計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在異常處理時(shí)也充分發(fā)揮出CPU的處理能力，而非易失性存儲(chǔ)器的讀取速度使得CPU只能以多個(gè)空閑等待同期來獲取異常向量，這樣就限制了CPU計(jì)算能力的充分發(fā)揮。尤其是非易失性存儲(chǔ)器位寬小于CPU位寬時(shí)，這種負(fù)面的影響更加明顯。于是，Remap技術(shù)被引入，以提高系統(tǒng)對(duì)異常的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。

    從Remap這個(gè)英文單詞的構(gòu)成不難看出，它是對(duì)此前已確立的存儲(chǔ)器映射的再次修改。從本質(zhì)上講，Map和Remap是一樣的，都是將地址編碼資源分配給存儲(chǔ)器塊，只不過二者產(chǎn)生的時(shí)間不同：前者在系統(tǒng)上電的時(shí)刻發(fā)生，是任何計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都必需的；而后者在系統(tǒng)上電后穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)刻發(fā)生，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說是可選的。典型的8位單片機(jī)系統(tǒng)中，就沒有使用Remap技術(shù)。

    完整的Remap過程實(shí)際上通常始于系統(tǒng)的Bootload過程。具體執(zhí)行動(dòng)作為：Bootload將非易失性存儲(chǔ)器中的異常向量復(fù)制到高速易失性存儲(chǔ)器塊的一端，然后執(zhí)行Remap命令，將位于高速易失性存儲(chǔ)器中的異常向量塊映射到異常向量表地址空間上。此后，系統(tǒng)若產(chǎn)生異常，CPU將從已映射到異常微量表地址空間的高速非易失性存儲(chǔ)器中讀取異常向量。具體到典型的ARM7嵌入式系統(tǒng)中，就是由Bootload程序?qū)⑵瑑?nèi)或片外的Flash/ROM中的異常向量復(fù)制到片內(nèi)的SRAM中指定的存在器單元中，然后再執(zhí)行Remap命令。由于片內(nèi)的SRAM數(shù)據(jù)位寬通常與CPU數(shù)據(jù)位寬相等，因而CPU可以無等待地全速跳入異常處理程序，獲得最佳的實(shí)時(shí)異常響應(yīng)。

LPC2000的Boot和Remap解析
    從上面的技術(shù)描述中可知，典型的Boot、Memory Map和Remap的時(shí)間順序應(yīng)該是：Memory Map－〉Boot－〉Remap。但是，LPC2000處理器中這三個(gè)動(dòng)作的順序卻有一點(diǎn)不同，依次為Memory Map－〉Remap－〉Boot－〉Remap，最后一個(gè)Remap過程是用戶可選的，可執(zhí)行也可不執(zhí)行。每當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位以后，LPC2000處理器就順次執(zhí)行上述四個(gè)過程，下面分析這幾個(gè)階段。為簡化起見，以總線不開放的LPC2104處理器為例。

LPC2106的片上存儲(chǔ)器分類
    LPC2104片內(nèi)的存儲(chǔ)器類型只有兩種：Flash塊和SRAM塊。其中，部分Flash存儲(chǔ)器塊在芯片出廠前由Philips寫入了Bootload程序和64字節(jié)的異常向量表。為方便討論，我們稱這部分Flash塊為Bootload子塊，其大小為8KB。如前所述，在處理器未上電之前或復(fù)位時(shí)，F(xiàn)lash塊和SRAM塊僅僅是兩個(gè)沒有地址編碼的物理存儲(chǔ)器，與地址編碼尚未建立起實(shí)際的映射關(guān)系。

Memory Map
    LPC2104處理器（上電）復(fù)位以后，F(xiàn)lash塊和SRAM塊的地址映射結(jié)果為：SRAM占據(jù)0x40000000—0x40003FFF范圍的地址編碼空間；Flash占據(jù)0x00000000—0x0001FFFF范圍的地址編碼空間。該映射結(jié)果是個(gè)中間態(tài)，只存在極短的時(shí)間，應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)人員無法看到這個(gè)中間態(tài)。處理器內(nèi)核外圍模塊的地址映射結(jié)果為0xE0000000—0xFFFFFFFF。

Remap
    Memory Map完成以后，緊接著LPC2104會(huì)作一次Remap，這次Remap操作的對(duì)象是Bootload子塊，由處理的內(nèi)部硬件邏輯執(zhí)行完成，不受開發(fā)人員的控制。經(jīng)過Remap后，Bootload子塊被整體Remap到了0x7FFFE000—0x7FFFFFFF的片內(nèi)高地址內(nèi)存空間；同時(shí)，原Memory Map后占用0x00000000—0x0000003F地址空間的那部分64 字節(jié)大小的Flash子塊被暫時(shí)注銷映射關(guān)系，由Bootload子塊中的異常向量部分取而代之。

    至此，F(xiàn)lash塊對(duì)內(nèi)存地址空間的占用情況如下：
    1、除去因Remap被暫時(shí)注銷了映射關(guān)系的那小部分64字節(jié)的Flash子塊外，F(xiàn)lash塊作為一個(gè)整體占用的地址編碼空間為0x00000040—0x0001FFFF；
    2、同時(shí)，Bootload子塊又占用了0x7FFFE000—0x7FFFFFF的地址編碼空間，Bootload子塊中的異常向量表部分占用了0x00000000—0x0000003F。
    因此，Bootload子塊中的異常向量表部分實(shí)際上是占用了重復(fù)占用了三段地址編碼空間：0x00000000—0x0000003F、0x0001E000—0x0001E03F以及0x7FFFE000—0x7FFFE03F。

    圖2中，存儲(chǔ)器的映射順序?yàn)椋篗emory Map－〉Reset Remap－〉Bootload Remap。
    SRAM塊和內(nèi)核外圍模塊的映射關(guān)系在Remap之后保持不變，可參見圖1。

* - 本貼最后修改時(shí)間：2005-3-10 17:31:19 修改者：andrewpei
* - 修改原因：Append

Boot
    LPC2104有效的異常向量表地址編碼空間是0x00000000—0x0000003F（嚴(yán)格來說應(yīng)該是0x00000000—0x0000001F）。處理器復(fù)位后的Boot動(dòng)作就是從0x00000000處起始字中取出跳轉(zhuǎn)指令，開始程序的執(zhí)行。由于處理器復(fù)位后，映射到0x00000000—0x0000003F地址空間的異常向量表源于Bootload子塊，因此CPU實(shí)際上開始執(zhí)行的是Philips在芯片出廠前寫入的Bootload程序。

    進(jìn)入Bootload后，程序首先檢查看門狗溢出標(biāo)志是否置位。
    若看門狗溢出標(biāo)志置位，則表明當(dāng)前的系統(tǒng)復(fù)位是內(nèi)部軟復(fù)位，CPU下一步將對(duì)Flash塊中的異常向量表進(jìn)行加和校驗(yàn)。如果加和檢驗(yàn)結(jié)果為零，Bootload程序?qū)⒊蜂NBootload子塊中異常向量表部分在0x00000000—0x00000003F地址空間上的映射，恢復(fù)Flash塊的異常向量表在這64字節(jié)地址空間上的映射關(guān)系（如圖3），然后跳轉(zhuǎn)到異常向量表地址0x00000000處轉(zhuǎn)入用戶程序的執(zhí)行。如果加和校驗(yàn)結(jié)果不為零，Bootload程序?qū)⑦M(jìn)行UART0接口的波特率自動(dòng)偵測，隨時(shí)響應(yīng)ISP宿主機(jī)的編程請(qǐng)求，執(zhí)行處理器芯片的ISP編程工作。

若Bootload沒有發(fā)現(xiàn)看門狗溢出標(biāo)志置位，則表明當(dāng)前的系統(tǒng)復(fù)位是外部硬復(fù)位，CPU將采樣P0.14引腳的外部邏輯電平輸入。如果為0，Bootload執(zhí)行UART0的自動(dòng)波特率偵測，隨時(shí)響應(yīng)ISP宿主機(jī)的編程請(qǐng)求；如果為1，Bootload的后續(xù)動(dòng)作將與前面檢測到看門狗溢出標(biāo)志置位的程序執(zhí)行完全相同。

Remap（可選）
    最后這一步可選的Remap動(dòng)作完全處于用戶的控制之下，Remap的對(duì)象是片內(nèi)SRAM存儲(chǔ)器塊的異常向量部分，共計(jì)64字節(jié)大小。用戶可以編程決定何時(shí)Remap、Remap之后是否再修改異常向量表以及如何修改異常向量表等等。需要強(qiáng)調(diào)的是，引發(fā)Remap動(dòng)作的指令與建立SRAM塊中異常向量的所有功能代碼全部駐留在Flash塊的用戶編程區(qū)中，是用戶應(yīng)用軟件的一部分。

    曾經(jīng)有網(wǎng)友對(duì)Philips在LPC2000系列處理器中引入這個(gè)可選的Remap功能提出質(zhì)疑：LPC2000系列處理器片內(nèi)的Flash塊被分割成了兩組，每組都配備了相互獨(dú)立的128位寬度的讀取緩沖，在絕大多數(shù)情況下，CPU從Flash塊的訪問是全速進(jìn)行的，不存在有等待的狀況；另一方面，一般應(yīng)用LPC2000的嵌入式系統(tǒng)并不需要?jiǎng)討B(tài)地改變異常向量表。因此，對(duì)片內(nèi)SRAM進(jìn)行Remap后，并不能提高處理器對(duì)異常的響應(yīng)能力，實(shí)際意義不大。

    事實(shí)上，LPC2000系列處理器引入SRAM的Remap功能對(duì)于IAP操作具有重要的意義。相對(duì)于其它基于ARM7DMI內(nèi)核的處理器而言，LPC2000系列處理器有一個(gè)獨(dú)具特色的功能—IAP。在IAP擦除／寫入操作時(shí)，片上Flash塊，包括該塊上的異常向量部分，是無法被訪問讀取的，為了在IAP擦除／寫入操作時(shí)有效地響應(yīng)異常，必須在調(diào)用IAP擦除／寫入操作之前，將SRAM中的異常向量部分提前映射到系統(tǒng)的異常向量表地址空間上。（待續(xù)）