ARM的启动代码(2):AT91SAM9260启动详解

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呵呵，最近欠博客的账太多了，这种连载类的，还是要继续。今天和大家聊聊ARM的启动代码问题。我有不少朋友，都是写代码的高手，但搞起ARM的启动代码的时候还是犯迷糊。其实，多半是没有理解ARM工作的机制所造成的。

我在该连载的介绍中和大家谈了很多，但要记住的只有一点：ARM 上电执行第一条代码是从 0x0开始的。这是谁都不能改变的。但是0x0的地址可以通过很多方法进行映射，执行不同的代码。有些厂家在裸ARM芯片上增加了一小段启动代码。用以完成从特殊设备上加载代码，启动ARM。这种情况是非常多得，一些设计良好的ARM芯片，都可以从spi flash上加载，从uart上加载，大大的简化了ARM单板第一次烧写程序的复杂度。这个需要对芯片的Datasheet做细致的解读。

我们以AT91SAM9260为例，分析它的启动代码如何撰写。

AT91SAM9260是一款设计良好的ARM芯片。支持从nandflash和spiflash上启动。从芯片手册上可知，spiflash支持从SPI0口的NPCS0或者NPCS1启动，或者从其他设备启动。AT91SAM9260最好和AT45DBXXX类芯片配合。AT91SAM9260公板就是使用的AT45做的启动存储。芯片接在SPI0的NPCS1口上。固化在9260内部的系统的代码遵循以下流程：

固化在系统内部的这个启动代码(Boot Program)，还不能算作一个合格的Bootloader。主要有以下的原因：

1.首先这个启动代码不知道9260接了哪些硬件。客户一般会按照自己的需要接芯片，比如说接SDRAM，启动代码是无法知道SDRAM所需要的访问时序和SDRAM的大小。这个是和客户的选择有很大的关系。或者客户接了自己的SRAM，等等……启动代码是无法事先知道的。因而也无法初始化这些硬件，更谈不上使用这些硬件。

2.启动代码不可能太大。因为片内运行这个代码需要的资源太多了，不光光是存储代码的ROM，还需要片内集成足够大的SRAM。这使得芯片的成本上升。这样做也没有必要，因为可以有更好的方式去解决。启动代码不能太大，也意味着也不复杂，功能单一。

所以，只能在启动代码加载的程序上动脑筋了。Boot Program加载的程序称为 Bootstrap, 也不叫Bootloader；为什么叫Bootstrap不叫Bootloader?并不是ATMEL想标新立异，找卖点。Boot program 加载 bootstrap, 由bootstrap再加载bootloader或者用户的应用程序。

由于Boot Program只能初始化已知道的芯片的内部资源。2个SRAM还有内部的PLL等寄存器。都是芯片的内部资源。Boot Program的代码存储在ROM中，它运行必然要占一些数据，要么放SRAM0里，要么放SRAM1里。Boot Program加载Bootstrap到9260里，也只能放到SRAM0里或者SRAM1里。SRAM0和SRAM1各有4K。这里需要注意：在加载bootstrap的过程中，Boot Program还需要正常工作。如果Boot program使用得是SRAM1存储运行时刻的变量等数据……那么Boot Program是不能破坏SRAM1里的数据，只能把Bootstrap代码拷贝到SRAM0里执行。

有童鞋问，可不可以把SRAM1里 Boot Program没用的部分也给bootstrap使用呢？回答是不可以。但大家要明白一点，从理论上讲是完全没有问题的。如果想实现，Bootstrap必须将其代码分成两个部分，4KB的一个部分，剩下的一部分放入SRAM1中(可能只有2K，具体视Boot Program占用多大)。这必然会使boot program复杂化，芯片成本上升。并且，实现分段加载，在编译bootstrap时要修改链接文件，生成elf文件，带加载信息；或者就生成两个bin文件。这个操作起来太复杂，实践证明，也没有这个必要。所以，AT91SAM9260硬件这一特点就限制了bootstrap大小，只能为4KB，数据占用大小也不能超过4KB。:-)。

4KB大小的ARM代码能做些什么呢？ATMEL的设计人员给我们做了解答。bootstrap 做了初始化硬件，从指定的设备上加载OS或者应用程序。由于这个代码是可以更改的，我们可以针对硬件做一些修改。比如说可以初始化SDRAM，如果没有SDRAM，只有外扩的SRAM，也可以初始化系统的总线，适配这种外扩SRAM。

初始化完成，就可以从任意设备上加载下一步的代码。可以从网络、UART和Flash上加载。从网络上加载，需要集成网络协议栈，UART的话也需要集成相应的协议，必须考虑一个问题bootstrap中实现没有问题，但是，4KB的代码空间是否能容纳得下呢？所以，实际使用中，一般都是从flash指定的位置上获取代码而已。获取代码的格式，也很简单，就是加载到内存中的代码镜像(raw binary)。这里牵涉到3个问题：

1.bootstrap从flash的什么位置加载应用程序？加载多大？

2.bootstrap将这些程序加载到什么地方去？

3.bootstrap将这些代码加载完成后，它将控制权交给谁？换句话说，让PC指针指向哪里，开始执行加载后的代码？

ATMEL官方提供了一些配置宏，用于改变前两个地址。官方代码中并为提供对第三个地址的配置，第三个地址与第二个地址是相同的。 当然你可以修改这个代码，第三个地址与第二个地址不同，可通过宏配置。

对于这三个地址，我们头脑一定要清楚：

1.bootstrap 从flash的什么位置加载应用程序，这个地址有可能是flash芯片的内部地址，对ARM芯片来说，不可能通过简单的方式访问到（即一条数据指令就访问到）。必须要通过复杂的方法，数十条甚至上百上千条汇编指令才能访问到。

2.bootstrap加载这个应用程序到什么地方去，这个地址一定是ARM芯片用一条数据访问指令能访问到的地址!不能多于1条指令访问到，否则，这个地址不能用作运行时刻的代码存储。

3.bootstrap跳到什么位置，这个是应用程序的第一条指令的位置。这个是由这个应用程序的链接脚本所决定的，不是由bootstrap决定的，bootstrap没有决定这个应用程序第一条指令位置的权利，它必须知道这个位置，才能使这个应用程序顺利的运行起来。

这个应用程序可以是真正的bootloader，也可以直接就是用户的代码。到这一步，ARM基本上已经告别荒芜的原始社会了。这三个地址理解清楚了，就可以洋洋洒洒写代码了……下次我们侃侃如何实践……

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