U-boot應用于A(yíng)T91 RM9200重映射機制的修正

1 重映射的理論模型
要理解重映射，必須首先理解映射。在此給出映射的基本理論模型，如圖1所示。

其中，A表示輸入域，B表示輸出域，F(X)表示規則。A在規則F(X)下能夠與B對應，這種對應關(guān)系就是“映射”。
在嵌入式系統中，這個(gè)模型應用比較普遍，可以完全用硬件實(shí)現，也可以硬件和軟件協(xié)同實(shí)現。根據作用時(shí)間的不同，第1次稱(chēng)為“映射”，后面的就稱(chēng)之為“重映射”?；纠碚撓嗤?，實(shí)現方式也類(lèi)似。在不影響理解的情況下，以下不區分“映射”和“重映射”這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。嵌入式系統中，重映射對應的輸入、輸出都是地址數據。下面舉一個(gè)完全硬件實(shí)現重映射的簡(jiǎn)單實(shí)例：
令A={0x00000000-0x000fffff}，實(shí)現到B={0x00100000-0x001fffff)的重映射?？梢钥闯?，它們的不同在于A(yíng)20-B20這對地址線(xiàn)，所以硬件實(shí)現只需對此進(jìn)行處理就可以了。如圖2所示，無(wú)論A20為高電平還是低電平，對應的B20都是高電平。CPU訪(fǎng)問(wèn)(0x00000000-0x000fffff)，或者{0x00100000-0x001fffff)，在映射關(guān)系下，實(shí)際都是訪(fǎng)問(wèn)到{0x00100000-0x001fffff)。通過(guò)改變映射關(guān)系，可以把{0x00000000-0x000fffff)這個(gè)1 MB的地址空間映射到任意位置。這樣就可以實(shí)現CPU從固定位置取值，但是實(shí)際對應的物理存儲介質(zhì)可以不同了。

根據重映射的不同需求，F(X)對應的復雜度也不同。為了分析方便，在A(yíng)T91RM9200的重映射機制分析中，F(X)就作為一個(gè)黑匣子處理。其內部實(shí)現的細節這里不作探討。

2 AT91RM9200的實(shí)現方案及啟動(dòng)流程
AT91RM9200上電或復位之后的內存映射關(guān)系可以參考其數據手冊的Figure 8-1，這里不作重點(diǎn)分析。內存映射完成后，memory controller控制硬件實(shí)現重映射(要注意，這是不提供給用戶(hù)的，也就是說(shuō)用戶(hù)無(wú)法改變這種映射規則)。下面用偽代碼描述：

if BMS為高電平

F(X):boot memory→ROM else

F(X):boot memory→NOR Flash

其中，BMS是啟動(dòng)模式選擇引腳。它決定了兩種不同的映射關(guān)系，因而也決定了U-boot至少可以有與之對應的兩種啟動(dòng)模式。
AT91RM9200通過(guò)寄存器MC＿RCR為用戶(hù)提供了接口，可以控制重映射。不過(guò)這種控制規則仍然是有限的。內存映射完成后，映射規則按照上述偽代碼執行。如果執行重映射，不管BMS狀態(tài)如何，規則變?yōu)椤癋(X)：boot memory→SRAM”。再次執行重映射，F(X)將恢復到偽代碼描述狀態(tài)。這個(gè)重映射的具體執行手段，就是往MC_RCR寫(xiě)入1。
明確了AT91RM9200的映射機制，就可以對啟動(dòng)流程進(jìn)行深入分析了。
AT91RM9200數據手冊在“13 boot program”一節中對內部啟動(dòng)流程講解得比較清晰，所以對這部分簡(jiǎn)略描述。對復雜機制，如果采用情景分析的方法，則會(huì )清晰許多。根據AT91RM9200的特點(diǎn)，提出了3種情景。這3種情景分別對應U-boot 啟動(dòng)的3種不同模式。
情景1：令BMS為高電平，系統上電或復位之后從片內啟動(dòng)。通過(guò)Xmodem協(xié)議上傳loader．bin，其執行成功后，再次通過(guò)Xmodem協(xié)議上傳U-boot．bin，實(shí)現U-boot的正常啟動(dòng)。
情景2：令BMS為低電平，系統上電或復位之后從片外NOR Flash啟動(dòng)。此處在0x10000000固化boot．bin，在0x10010000處固化U-boot．bin．gz，實(shí)現U-boot壓縮方式的正常啟動(dòng)。
情景3：令BMS為低電平，系統上電或復位之后從片外NOR Flash啟動(dòng)。此處在0x10000000固化U-boot．bin，實(shí)現U-boot的非壓縮方式的正常啟動(dòng)。
這3種情景各具特點(diǎn)。其中情景1適用于測試階段，U-boot還沒(méi)有固化到Flash中；如果U-boot比較大，考慮代碼空間，則可以采用情景2；如果對啟動(dòng)時(shí)間要求非常短，則可以考慮精簡(jiǎn)u-boot的代碼，采用情景3實(shí)現快速引導啟動(dòng)。
下面通過(guò)U-boot的生命周期和boot memory映射規則變化來(lái)對3種情景進(jìn)行對比分析。
情景1：片內啟動(dòng)，loader．bin+U-boot．bin
硬件上電，檢測到BMS為高電平，F(X)：boot memo-ry→SROM。那么CPU從0x0處取指執行，實(shí)際上執行的就是SROM中的代碼。當無(wú)法發(fā)現有效序列的代碼后，自動(dòng)執行uploader程序，將loader．bin放到SRAM中，完成后執行重映射，將PC置為0，這樣實(shí)際上就開(kāi)始執行上載到SRAM中的loader．bin程序。此時(shí)，F(X)：bootmemory→SRAM。
loader．bin將用戶(hù)上傳的U-boot．bin下載到SDRAM中，然后跳轉到U-boot的起始位置開(kāi)始執行。在這種情景中，U-boot．bin的生命之初就在SDRAM中，而且此時(shí)F(X)：boot memory→SRAM。
情景2：片外啟動(dòng)，boot．bin+U-boot．bin．gz
上電或復位后，F(X)：boot memory→Nor Flash。首先執行boot．bin，它的作用就是初始化SDRAM，然后解壓U-boot．bin．gz，放到SDRAM中。然后調轉到相應位置，執行U-boot。在這種情景中，Uboot．bin的生命之初也是在SDRAM中，不過(guò)此時(shí)F(X)：boot memory→NORFlash。
情景3：片外啟動(dòng)，U-boot．bin
上電或復位后，F(X)：boot memory→NOR Flash。開(kāi)始執行U-boot，這樣U-boot將自身下載到SDRAM中，然后跳轉至相應位置執行。在這種情景中，U-boot．bin的生命之初在NOR Flash中，然后到SDRAM。不過(guò)在這整個(gè)過(guò)程中，F(X)：boot memory→NOR Flash。
通過(guò)上述分析和表1，就可以對3種情景U-boot的執行初始狀態(tài)非常清晰了。

3 U-boot的不合理性分析
從ftp：//ftp．denx．de下載最新的U-boot-1．3．O。對AT91RM9200而言，入口位于cpu／arm920t／start．S。此段代碼為：

代碼的作用就是把u-boot開(kāi)始的0x40個(gè)字節復制到0x0開(kāi)始的位置，也就是實(shí)現了中斷向量表的搬移。結合表1，對情景是沒(méi)有問(wèn)題的，這樣實(shí)際就復制到了SRAM中；但是，對于情景2和3，就是不合理的了。因為此時(shí)0x0位置是NOR Flash，它們都是不可以直接以字節寫(xiě)入的。也就是說(shuō)，對情景2和情景3，這段代碼不足以完成將中斷向量表復制到SRAM中，并將SRAM映射到0x0開(kāi)始的1 MB地址空間內這個(gè)任務(wù)。
為了驗證此結論，提出一個(gè)檢測算法1：
向0x0位置寫(xiě)入0x55，然后讀取0x0的數值，看看是否為0x55。如果是，說(shuō)明此處為SRAM；如果不是，說(shuō)明此處為非易失性存儲介質(zhì)。
利用這個(gè)算法，可以在lib＿arm／board．c中插入測試代碼，驗證表1結論的正確性。經(jīng)實(shí)驗分析，表1是正確的。這樣也就間接證明了上述代碼的不合理性。
如果想要直接測試，也可以提供一個(gè)簡(jiǎn)單算法2：
在lib＿arm／board．c中插入測試代碼，讀取從0X0開(kāi)始的0x40個(gè)字節，然后與U-boot．bin起始位置的0x40個(gè)字節對比，看看是否一致。

4 解決方案
為了對三種情景都支持，就需要根據3種情景的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行區分，如表2所列，這樣才可以實(shí)現3種啟動(dòng)方式的無(wú)關(guān)性。這里需要解決的問(wèn)題是，通過(guò)檢測算法1可以判斷出情景1；然后判斷此時(shí)U-boot是在SDRAM還是在NOR Flash，可以區分情景2和情景3。

對情景1和情景2，因為此時(shí)U-boot已經(jīng)在SDRAM中，所以是否執行重映射對U-boot本身的執行并無(wú)影響。但是對情景3，此時(shí)U-boot仍在NOR Flash中，boot memory仍然指向NOR Flash。一旦執行重映射，boot memory會(huì )立即指向SRAM，那么PC下一條指令就無(wú)法正常獲取了。為了保證其正常獲取，必須把跳轉到SDRAM之前的代碼復制到SRAM中，這樣重映射前后就會(huì )實(shí)現無(wú)縫轉換。(當然，這種實(shí)現方式對于start．S代碼比較大的情況不合適。如果是那樣，可以采取另外的解決辦法，就是在lib＿arm／board．c中通過(guò)算法1來(lái)決定是否執行重映射。這樣復制的長(cháng)度就可以統一為0x40個(gè)字節了。)
制作patch，主要修改的代碼部分如下：

5 實(shí)驗結論
編寫(xiě)代碼實(shí)現上述修正之后，經(jīng)過(guò)測試，在3種情景下，U-boot都可以正常運行。說(shuō)明上述分析是正確的。實(shí)現3種情景的啟動(dòng)無(wú)關(guān)性，需要充分把握重映射機制，對每一步情景都要清晰，這樣才可以很好地設計出啟動(dòng)方式無(wú)關(guān)性的代碼。情景分析的研究方法，對很多的開(kāi)發(fā)工作都有很大的借鑒作用。