U-boot應(yīng)用于AT91 RM9200重映射機(jī)制的修正

引 言
    在嵌入式系統(tǒng)中，程序代碼必須放在非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)里，但嵌入式處理器的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)的讀取速度。為了緩解這種矛盾，提出高速緩存的技術(shù)方案，即利用高速的易失性存儲(chǔ)介質(zhì)(如SRAM)，作為非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)的高速緩存，由此形成了典型的“金字塔式”的存儲(chǔ)體系架構(gòu)。但是，處理器體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)決定了上電或復(fù)位時(shí)從固定的位置取指，此時(shí)中斷向量表仍然存放于低速非易失性介質(zhì)里，所以不能有效提高處理器對(duì)異常處理的速度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，同時(shí)更好地支持存儲(chǔ)體系架構(gòu)，提高系統(tǒng)性能，提出了“重映射”的解決方案。

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。

    用公式表示為其中，A表示輸入域，B表示輸出域，F(xiàn)(X)表示規(guī)則。A在規(guī)則F(X)下能夠與B對(duì)應(yīng)，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系就是“映射”。
    在嵌入式系統(tǒng)中，這個(gè)模型應(yīng)用比較普遍，可以完全用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以硬件和軟件協(xié)同實(shí)現(xiàn)。根據(jù)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瑢?shí)現(xiàn)方式也類(lèi)似。在不影響理解的情況下，以下不區(qū)分“映射”和“重映射”這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。嵌入式系統(tǒng)中，重映射對(duì)應(yīng)的輸入、輸出都是地址數(shù)據(jù)。下面舉一個(gè)完全硬件實(shí)現(xiàn)重映射的簡(jiǎn)單實(shí)例：
    令A(yù)={0x00000000-0x000fffff}，實(shí)現(xiàn)到B={0x00100000-0x001fffff)的重映射?？梢钥闯?，它們的不同在于A20-B20這對(duì)地址線，所以硬件實(shí)現(xiàn)只需對(duì)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(duì)應(yīng)的B20都是高電平。CPU訪問(wèn)(0x00000000-0x000fffff)，或者{0x00100000-0x001fffff)，在映射關(guān)系下，實(shí)際都是訪問(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(xiàn)CPU從固定位置取值，但是實(shí)際對(duì)應(yīng)的物理存儲(chǔ)介質(zhì)可以不同了。

    根據(jù)重映射的不同需求，F(xiàn)(X)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度也不同。為了分析方便，在AT91RM9200的重映射機(jī)制分析中，F(xiàn)(X)就作為一個(gè)黑匣子處理。其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)這里不作探討。

2 AT91RM9200的實(shí)現(xiàn)方案及啟動(dòng)流程
    AT91RM9200上電或復(fù)位之后的內(nèi)存映射關(guān)系可以參考其數(shù)據(jù)手冊(cè)的Figure 8-1，這里不作重點(diǎn)分析。內(nèi)存映射完成后，memory controller控制硬件實(shí)現(xiàn)重映射(要注意，這是不提供給用戶的，也就是說(shuō)用戶無(wú)法改變這種映射規(guī)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(duì)應(yīng)的兩種啟動(dòng)模式。
    AT91RM9200通過(guò)寄存器MC＿RCR為用戶提供了接口，可以控制重映射。不過(guò)這種控制規(guī)則仍然是有限的。內(nèi)存映射完成后，映射規(guī)則按照上述偽代碼執(zhí)行。如果執(zhí)行重映射，不管BMS狀態(tài)如何，規(guī)則變?yōu)椤癋(X)：boot memory→SRAM”。再次執(zhí)行重映射，F(xiàn)(X)將恢復(fù)到偽代碼描述狀態(tài)。這個(gè)重映射的具體執(zhí)行手段，就是往MC_RCR寫(xiě)入1。
    明確了AT91RM9200的映射機(jī)制，就可以對(duì)啟動(dòng)流程進(jìn)行深入分析了。
    AT91RM9200數(shù)據(jù)手冊(cè)在“13 boot program”一節(jié)中對(duì)內(nèi)部啟動(dòng)流程講解得比較清晰，所以對(duì)這部分簡(jiǎn)略描述。對(duì)復(fù)雜機(jī)制，如果采用情景分析的方法，則會(huì)清晰許多。根據(jù)AT91RM9200的特點(diǎn)，提出了3種情景。這3種情景分別對(duì)應(yīng)U-boot 啟動(dòng)的3種不同模式。
    情景1：令BMS為高電平，系統(tǒng)上電或復(fù)位之后從片內(nèi)啟動(dòng)。通過(guò)Xmodem協(xié)議上傳loader．bin，其執(zhí)行成功后，再次通過(guò)Xmodem協(xié)議上傳U-boot．bin，實(shí)現(xiàn)U-boot的正常啟動(dòng)。
    情景2：令BMS為低電平，系統(tǒng)上電或復(fù)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(xiàn)U-boot壓縮方式的正常啟動(dòng)。
    情景3：令BMS為低電平，系統(tǒng)上電或復(fù)位之后從片外NOR Flash啟動(dòng)。此處在0x10000000固化U-boot．bin，實(shí)現(xiàn)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(cè)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(duì)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(xiàn)快速引導(dǎo)啟動(dòng)。
    下面通過(guò)U-boot的生命周期和boot memory映射規(guī)則變化來(lái)對(duì)3種情景進(jìn)行對(duì)比分析。
    情景1：片內(nèi)啟動(dòng)，loader．bin+U-boot．bin
    硬件上電，檢測(cè)到BMS為高電平，F(xiàn)(X)：boot memo-ry→SROM。那么CPU從0x0處取指執(zhí)行，實(shí)際上執(zhí)行的就是SROM中的代碼。當(dāng)無(wú)法發(fā)現(xiàn)有效序列的代碼后，自動(dòng)執(zhí)行uploader程序，將loader．bin放到SRAM中，完成后執(zhí)行重映射，將PC置為0，這樣實(shí)際上就開(kāi)始執(zhí)行上載到SRAM中的loader．bin程序。此時(shí)，F(xiàn)(X)：bootmemory→SRAM。
    loader．bin將用戶上傳的U-boot．bin下載到SDRAM中，然后跳轉(zhuǎn)到U-boot的起始位置開(kāi)始執(zhí)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(fù)位后，F(xiàn)(X)：boot memory→Nor Flash。首先執(zhí)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(diào)轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置，執(zhí)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(fù)位后，F(xiàn)(X)：boot memory→NOR Flash。開(kāi)始執(zhí)行U-boot，這樣U-boot將自身下載到SDRAM中，然后跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置執(zhí)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(xiàn)(X)：boot memory→NOR Flash。
    通過(guò)上述分析和表1，就可以對(duì)3種情景U-boot的執(zhí)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(duì)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(jié)復(fù)制到0x0開(kāi)始的位置，也就是實(shí)現(xiàn)了中斷向量表的搬移。結(jié)合表1，對(duì)情景是沒(méi)有問(wèn)題的，這樣實(shí)際就復(fù)制到了SRAM中；但是，對(duì)于情景2和3，就是不合理的了。因?yàn)榇藭r(shí)0x0位置是NOR Flash，它們都是不可以直接以字節(jié)寫(xiě)入的。也就是說(shuō)，對(duì)情景2和情景3，這段代碼不足以完成將中斷向量表復(fù)制到SRAM中，并將SRAM映射到0x0開(kāi)始的1 MB地址空間內(nèi)這個(gè)任務(wù)。
    為了驗(yàn)證此結(jié)論，提出一個(gè)檢測(cè)算法1：
    向0x0位置寫(xiě)入0x55，然后讀取0x0的數(shù)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(chǔ)介質(zhì)。
    利用這個(gè)算法，可以在lib＿arm／board．c中插入測(cè)試代碼，驗(yàn)證表1結(jié)論的正確性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)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(cè)試，也可以提供一個(gè)簡(jiǎn)單算法2：
    在lib＿arm／board．c中插入測(cè)試代碼，讀取從0X0開(kāi)始的0x40個(gè)字節(jié)，然后與U-boot．bin起始位置的0x40個(gè)字節(jié)對(duì)比，看看是否一致。

4 解決方案
    為了對(duì)三種情景都支持，就需要根據(jù)3種情景的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行區(qū)分，如表2所列，這樣才可以實(shí)現(xiàn)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(cè)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(qū)分情景2和情景3。

    對(duì)情景1和情景2，因?yàn)榇藭r(shí)U-boot已經(jīng)在SDRAM中，所以是否執(zhí)行重映射對(duì)U-boot本身的執(zhí)行并無(wú)影響。但是對(duì)情景3，此時(shí)U-boot仍在NOR Flash中，boot memory仍然指向NOR Flash。一旦執(zhí)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(zhuǎn)到SDRAM之前的代碼復(fù)制到SRAM中，這樣重映射前后就會(huì)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫轉(zhuǎn)換。(當(dāng)然，這種實(shí)現(xiàn)方式對(duì)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(zhí)行重映射。這樣復(fù)制的長(zhǎng)度就可以統(tǒng)一為0x40個(gè)字節(jié)了。)
    制作patch，主要修改的代碼部分如下：

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論
    編寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)上述修正之后，經(jīng)過(guò)測(cè)試，在3種情景下，U-boot都可以正常運(yùn)行。說(shuō)明上述分析是正確的。實(shí)現(xiàn)3種情景的啟動(dòng)無(wú)關(guān)性，需要充分把握重映射機(jī)制，對(duì)每一步情景都要清晰，這樣才可以很好地設(shè)計(jì)出啟動(dòng)方式無(wú)關(guān)性的代碼。情景分析的研究方法，對(duì)很多的開(kāi)發(fā)工作都有很大的借鑒作用。