ARM學(xué)習(xí)中LPC2104的Boot與Remap詳解

開場(chǎng)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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)依然能有效保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。如EEPROM, EPROM,FLASH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,FLASH）,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(jiǎn)要地說,Boot就是引導(dǎo)CPU如何裝入機(jī)器指令。最簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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),Flash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,Flash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。