ARM學(xué)習中LPC2104的Boot與Remap詳解

開(kāi)場(chǎng)白

最近在學(xué)習ARM的過(guò)程中,遇到了一些以前在8位機、16位機應用中所沒(méi)有見(jiàn)過(guò)的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)。其中,比較困擾和麻煩的兩個(gè)名詞術(shù)語(yǔ)就是“Boot”與“Remap”。同時(shí),在網(wǎng)上也經(jīng)常見(jiàn)到有網(wǎng)友就這兩個(gè)技術(shù)名詞提出疑問(wèn)。好在當今網(wǎng)絡(luò )是如此發(fā)達,使得我們可以很快就得到許多老師和老鳥(niǎo)的解答。經(jīng)過(guò)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,借此機會(huì ),以自己的理解總結一下,貼到BBS上來(lái),與廣大網(wǎng)友們分享,如有不當之處,板磚且慢,因為我貼此文的目的是拋“磚”引“玉”,不是引“磚”！Bow！

　　兩個(gè)專(zhuān)業(yè)名詞—非易失性存儲器和易失性存儲器

　　非易失性存儲器：指掉電后在相當長(cháng)時(shí)間內依然能有效保存數據的存儲器。如EEPROM, EPROM,FLASH等。

　　易失性存儲器： 指掉電后迅速喪失存儲能力的存儲器。如SRAM,SDRAM等。

　　參考讀物：3G時(shí)代存儲器眾生相（電子設計技術(shù)2005年第2期）

　　OK,一切就緒,Let''s GO！

引言

隨著(zhù)半導體工藝技術(shù)與處理器設計技術(shù)的不斷提高,嵌入式處理器的速度愈來(lái)愈快;而非易失性存儲器的讀取速度卻遠遠跟不上CPU的發(fā)展。傳統的單片機運行模式——機器代碼存儲在非易失性存儲器（如ROM,FLASH）,在運行時(shí)由CPU直接從其中取出指令執行——逐漸顯得力不從心。如果繼續沿用傳統的程序運行模式,那么在絕大多數時(shí)間內高速CPU將處于空閑等待狀態(tài),這既浪費了CPU的計算能力,也無(wú)法實(shí)現高密度數據流的實(shí)時(shí)處理與傳輸。而在短期之內,半導體工業(yè)界尚無(wú)法實(shí)現低成本的非易失性高速存儲器技術(shù)。為了解決上述處理器和非易失性存儲器之間速度不匹配的矛盾,工程師們在嵌入式系統領(lǐng)域內引用了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（存儲器映射）的概念。

技術(shù)概念描述

Memory Map

計算機最重要的功能單元之一是Memory。Memory是眾多存儲單元的集合,為了使CPU準確地找到存儲有某個(gè)信息的存儲單元,必須為這些單元分配一個(gè)相互區別的“身份證號”,這個(gè)“身份證號”就是地址編碼。在嵌入式處理器內,集成了多種類(lèi)型的Memory,通常,我們稱(chēng)同一類(lèi)型的Memory為一個(gè)Memory Block。一般情況下,處理器設計者會(huì )為每一個(gè)Memory Block分配一個(gè)數值連續、數目與其存儲單元數相等、以16進(jìn)制表示的自然數集合作為該Memory Block的地址編碼。這種自然數集合與Memory Block的對應關(guān)系,就是Memory Map（存儲器映射）,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。

需要強調的是,Memory Map是一個(gè)邏輯概念,是計算機系統在（上電）復位后才建立起來(lái)的。Memory Map相當于這樣一個(gè)數學(xué)函數：函數的輸入量是地址編碼,輸出量被尋址單元中的數據。當計算機系統掉電后或復位時(shí),這個(gè)數學(xué)函數不復存在,只剩下計算機系統中實(shí)現這個(gè)數學(xué)函數的物理基礎——電路連接。也可以這樣認為：Memory Map是計算機系統（上電）復位時(shí)的預備動(dòng)作,是一個(gè)將CPU所擁有的地址編碼資源向系統內各個(gè)物理存儲器塊分配的自動(dòng)過(guò)程。

Boot/Bootload

　　Boot在計算機專(zhuān)業(yè)英文中的意思是“引導”,它是計算機系統（上電）復位后CPU的第一個(gè)機器動(dòng)作。那么,Boot引導的是什么呢？簡(jiǎn)要地說(shuō),Boot就是引導CPU如何裝入機器指令。最簡(jiǎn)單的Boot動(dòng)作就是8位單片機系統復位后從復位向量中取出跳轉指令,轉移到用戶(hù)程序代碼段執行的這個(gè)過(guò)程。

通常,在計算機系統中,（上電）復位后除了執行Boot動(dòng)作,還跟隨著(zhù)一個(gè)Load過(guò)程。一般情況下,該Load從低速非易失性存儲器中“搬運”一些數據到高速易失性存儲器中。Boot和Load連續執行,一氣呵成,我們稱(chēng)之為Bootload。最典型的例子之一就是DSP實(shí)時(shí)信號處理系統,系統上電后,將存儲在EEPROM中的實(shí)時(shí)信號處理程序復制到系統的RAM中,然后CPU直接從RAM中讀取機器指令運行。

Remap

Remap與計算機的異常處理機制是緊密相關(guān)的。

完整的計算機系統必須具備異常處理能力。當異常產(chǎn)生時(shí),CPU在硬件驅動(dòng)機制下跳轉到預先設定的存儲器單元中,取出相應的異常處理程序的入口地址, 并根據該入口地址進(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器單元就是通常所說(shuō)的“異常入口”,單片機系統中也叫“中斷入口”。實(shí)際的計算機系統有多種類(lèi)型的異常,CPU設計人員為了簡(jiǎn)化芯片設計,一般將所有的異常入口集中起來(lái)置于非易失性存儲器中,并在系統上電時(shí)映射到一個(gè)固定的連續地址空間上。位于這個(gè)地址空間上的異常入口集合就是“異常向量表”。

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

從Remap這個(gè)英文單詞的構成不難看出,它是對此前已確立的存儲器映射的再次修改。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器塊,只不過(guò)二者產(chǎn)生的時(shí)間不同：前者在系統上電的時(shí)刻發(fā)生,是任何計算機系統都必需的;而后者在系統上電后穩定運行的時(shí)刻發(fā)生,對計算機系統設計人員來(lái)說(shuō)是可選的。典型的8位單片機系統中,就沒(méi)有使用Remap技術(shù)。

完整的Remap過(guò)程實(shí)際上通常始于系統的Bootload過(guò)程。具體執行動(dòng)作為：Bootload將非易失性存儲器中的異常向量復制到高速易失性存儲器塊的一端,然后執行Remap命令,將位于高速易失性存儲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器中讀取異常向量。具體到典型的ARM7嵌入式系統中,就是由Bootload程序將片內或片外的Flash/ROM中的異常向量復制到片內的SRAM中指定的存在器單元中,然后再執行Remap命令。由于片內的SRAM數據位寬通常與CPU數據位寬相等,因而CPU可以無(wú)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。

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(guò)程是用戶(hù)可選的,可執行也可不執行。每當系統復位以后,LPC2000處理器就順次執行上述四個(gè)過(guò)程,下面分析這幾個(gè)階段。為簡(jiǎn)化起見(jiàn),以總線(xiàn)不開(kāi)放的LPC2104處理器為例。

LPC2106的片上存儲器分類(lèi)

LPC2104片內的存儲器類(lèi)型只有兩種：Flash塊和SRAM塊。其中,部分Flash存儲器塊在芯片出廠(chǎng)前由Philips寫(xiě)入了Bootload程序和64字節的異常向量表。為方便討論,我們稱(chēng)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位時(shí),Flash塊和SRAM塊僅僅是兩個(gè)沒(méi)有地址編碼的物理存儲器,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）復位以后,Flash塊和SRAM塊的地址映射結果為：SRAM占據0x40000000—0x40003FFF范圍的地址編碼空間;Flash占據0x00000000—0x0001FFFF范圍的地址編碼空間。該映射結果是個(gè)中間態(tài),只存在極短的時(shí)間,應用系統開(kāi)發(fā)人員無(wú)法看到這個(gè)中間態(tài)。處理器內核外圍模塊的地址映射結果為0xE0000000—0xFFFFFFFF。

Remap

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