ARM体系结构(二)

ARM体系结构第二篇，主要理解CPU的内存接口，ARM启动过程。

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内存映射

S5PV210属于Cortex-A8架构，有32位地址线和32位数据线，所以CPU的地址空间为4G，但是由于使用了统一编址，外设占用了一部分地址空间，实际供内存使用的地址空间将小于4G，那么对于这个4G的地址空间的分配，就是内存映射，或者说叫地址映射，下图是S5PV210的内存映射分布图，来自于用户手册：
内存分布的描述：

• iROM：internal ROM，内部只读存储器，集成到SOC内部的ROM
• iRAM：internal RAM，内部的随机读写存储器，集成到SOC内部的RAM
• DRAM：动态RAM
• SRAM：静态RAM
• ONENAND/NAND：ONENAND是三星发明的一种NAND Flash的变种，提高了一些存取特性
• SFR：特殊功能寄存器

来看一下iROM段的内存分布图：

iROM用于存放代码，iRAM用于存放数据，所以iROM和iRAM之间用Not Available来分割开，也是哈佛结构的体现，我们还可以看到区分的有Secure和Not Secure区域。

外部存储器接口

存储器分类

内存：内部存储器，用于程序运行空间，例如DRAM，SRAM，DDR
外存：用于存储的ROM，例如硬盘，Flash，NAND，iNAND，ONENAND，U盘，SD卡，SSD，光盘等

存储器访问方式

内存需要直接访问，所以通过地址总线和数据总线的方式直接连接来访问，好处是随机访问速度快，但是占用的总线位数多，访问的空间有限，通过用户手册看出，DRAM0和DRAM1加起来，S5PV210的内存地址空间为1.5G，
外存不是通过地址总线来直接连接访问的，而是通过外存接口来连接，不会占用过多的内存地址空间，S5PV210的外存地址空间段为：0xB000_0000~0xBFFF_FFFF的ONENAND/NAND区域，通过外存接口可以扩充数据存储容量，但是速度没有内存快，访问要分几个周期，时序比较复杂

常用外部存储器

• NorFlash：可以总线方式访问，可以接到CPU的地址空间中，以内存的方式来访问，S5PV210就可以将一块NorFlash接到SROMC_BANK区域，实现内存方式的总线访问(网卡其实也可以接到这个SROMC_BANK区域来访问)，台式机上的BIOS其实就是一块NorFlash，CPU如果要从NorFlash访问，就需要这样接入SROMC_BANK区域，
• NandFlash：不能通过总线方式访问，需要使用命令接口通过时序来访问，iROM区域就是用于NAND Flash来启动的，分为SLC和MLC两种工艺
  
  • SLC：容量不大，价格高，时序简单，访问简单，稳定性高
  • MLC：容量可以做很大，价格低，容易出现坏块和位翻转，需要做ECC校验，访问比较复杂
    
    • eMMC/iNand/moviNand：同属于eMMC，iNAND是SanDisk出产的eMMC，moviNand是三星出产的eMMC
    • oneNand：三星出的Nand标准
    • SD/TF/MMC卡：同属于SD卡系列
    • eSSD：属于SSD固态硬盘的嵌入式MLC的NandFlash
  • SATA/IDE/SCSI硬盘：机械访问，速度慢

S5PV210启动

内存

• SRAM：静态内存，容量小，价格高，不需要软件初始化，直接上电就可以使用
• DRAM：容量大，价格低，就是我们平常见的DDR，上电后不能直接使用，需要软件初始化

外存

NorFlash：容量小，价格高，可以通过总线直接访问，上电后可以直接读取，一般用作启动介质
NandFlash：容量大，价格低，不能以总线方式访问，上电之后需要通过软件进行初始化，然后才能使用时序接口进行访问

嵌入式系统启动

嵌入式的启动介质：外接NandFlash + 外接DRAM + 内置SRAM(iRAM)

S5PV210：210内置了96KB的iRAM(SRAM)，和一块64K的iROM(NorFlash)，启动过程如下

• CPU上电后从iROM中读取预先设置的代码(BL0)，地址在：0xD000_0000~0xD000_FFFF，这段代码进行
  
  • 初始化指令Cache，堆，栈，块设备复制函数(读取外部启动方式)，PLL和系统内部时钟，关看门狗，复制BL1(16K)到iRAM中并检查BL1的校验和，安全启动相关设置，并跳转到BL1去执行
  • 这段代码在出厂前设置的，所以暂时还不能初始化NandFlash和DRAM，然后判断我们通过硬件跳线设置的启动模式，从相应的外部存储器读取启动代码(bootloader)到iRAM中，但是一般启动代码都超过了iRAM的96K的容量，三星的解决方案是把启动代码分2部分，依次读取：
• BL1(可配置，最大16K)：iRAM运行该段代码，来初始化Flash，然后把BL2读取到iRAM中
• BL2(占用剩余80K的空间)：初始化DRAM，将OS读取到DRAM中，从而启动OS
• 启动方式可以根据这个图来看：
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• 启动流程图是这样的：
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  • WakeUp status：复位状态，深度休眠或者深度停止
  • OM pin：拨码开关
• 如果第一次启动失败，则会进行第二次启动，第二次启动会走SD卡的通道2，如下图所示：
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• 如果SD卡通道2启动失败，则会执行UART启动，
• 如果UART启动失败，则会执行USB启动，
• 如果都失败了，则彻底启动失败

开发板启动方式选择

通过OM pin可以设置启动方式，通过配置pin来设置，具体设置如图所示：

对照图片来设置。

ARM架构和工作模式

• ARM采用32位架构
  
  • Byte：8bit
  • Halfword：16bit（2Byte）
  • Word：32bit（4Byte）
• 大部分ARM提供三种指令集
  
  • ARM指令集（32bit）
  • Thumb指令集（16bit）
  • Thumb2指令集（16&32bit）
  • Jazelle Core还提供了Java ByteCode的支持
• 7中工作模式
  
  • USER：非特权模式，大部分任务执行在这种模式下
  • FIQ：快速中断模式，高优先级的中断产生时会进入这种模式
  • IRQ：中断模式，普通中断产生时进入这种模式
  • SUPERVISOR：复位或者软中断指令被执行时进入这种模式
  • ABORT：存取异常时进入这种模式
  • UNDEF：执行到未定义指令时进入这种模式
  • SYSTEM：系统模式，内核运行在这种模式下，使用和USER模式相同的寄存器
  • 除USER是Normal模式之外，其他都是Privilege特权模式
  • 除SYSTEM之外其他特权模式都是异常模式
  • 可以通过写CPSR寄存器主动切换模式，也可以由CPU自动切换
  • 各种模式下权限和可访问的寄存器是不一样的

ARM内部通用寄存器

ARM的CPU内部有17个基本通用寄存器，根据不同的工作模式可以定义成37个寄存器，每个寄存器都是32位，相对于其他设备的SFR来说，会更复杂一些，通用型寄存器通过寄存器的名字来访问：

每种模式下最多看到18个寄存器，其他寄存器虽然名字相同，但都属于该模式的专用寄存器，在当前模式看不见。
例如USER模式下的r13（sp）和r14（lr），是不重复的，是用户模式专用的寄存器，这两个寄存器在模式切换的时候是不需要考虑重复问题的，所有模式下的寄存器见下图：

CPSR程序状态寄存器

该寄存器一共32bit
- 0~4是模式位，表示处理器的7中模式之一
- 5是T位，切换处理器状态，0是ARM状态，1是Thumb状态
- 6~7分别表示I，F中断禁止位，I= 1，禁止IRQ，F= 1，禁止FIQ
- 8~23未定义
- 24是J位，处理Jazelle状态，J = 1，支持Jazelle，仅支持ARM 5TE/J架构
- 25~26未定义
- 27是Q位，指示饱和状态，Q = 1，饱和，仅支持ARM 5TE/J架构
- 28~31是V,C,Z,N条件位：
- V = 1：表示ALV运算溢出
- C = 1：表示ALV运算的进位标识位溢出
- Z = 1：表示ALV运算得到了一个0
- N = 1：表示ALV运算得到了一个Negative负结果

PC程序状态寄存器

• 称为程序指针，PC指向哪里，CPU就会执行哪条指令，
• 例如程序跳转时把目标地址放在PC中，
• 整个CPU只有一个PC

ARM异常处理方式

异常

异常是指程序在运行过程中，发生了正常工作之外的流程，异常会打断正在执行的工作，且希望异常处理完成之后回来继续进行原来的工作，中断也是异常的一种，7中工作模式中除了USER和SYSTEM之外的工作模式都是用来处理异常。

异常向量表

• 异常向量表是CPU处理异常的手段，所有CPU都有异常向量表，属于硬件设计范围，
• 当异常发生时，CPU会自动动作，由PC跳向异常向量处(异常处理地址)来处理异常，有时还会伴随一系列辅助动作，
• 异常向量表是硬件想软件提供的处理异常的支持

ARM异常处理机制

• 当异常产生时，ARM Core需要：
  
  • 拷贝CPSR到SPSR_<对应模式>
  • 设置适当的CPSR
    
    • 改变处理器状态进入ARM状态
    • 改变处理器模式进入相应的异常模式
    • 设置中断禁止位禁止响应中断，以防异常处理被打断
  • 保存返回地址到LR_<对应模式>
  • 设置PC为相应的异常向量
• 当异常返回时，ARM Core需要
  
  • 从SPSR_<对应模式>恢复CPSR
  • 从LR_<对应模式>恢复PC
  • 以上操作都在ARM状态进行
• 异常处理有一些是CPU自动动作，有一些是需要程序员手动操作的，CPU设计时提供的异常向量表，一般属于一级向量表，有的CPU为了支持多个中断，还会提供二级向量表，处理的方式和一级向量表类似。