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2020年03月10日 | Arm 2440——Nand flash启动模式详解（LED程序为例）
2020-03-10 来源：eefocus
断断续续的研究arm也有2个月了，现在才感觉理解了arm在Nand flash模式下的启动过程，现在来这里记录下来以表达我无比喜悦的心情。闲话少说，趁着还没有忘记学习过程中的感受，直接进入正题。
大家都知道，arm在Nand flash启动模式下启动时系统会将Nand flash中的前4KB代码拷贝到SRAM（也就是Steppingstone中），由SRAM配置中断向量表和完成Nand flash访问的必要初始化，然后将Nand flash中的全部程序代码拷贝到SDRAM中，最后由SRAM跳转到SDRAM，然后程序就正常执行了，这一过程看上去很简单，但是真正理解这一过程还是不简单的，尽管这样，还是想告诉大家仔细理解还是比较容易理解这个过程的。如果您是ADS用户，你省去了很多麻烦，但我不确定你省去的这些麻烦是否值得，这里介绍的是一种麻烦的方式，linux下的led程序。
代码Head.s
.extern main
.text
.global _start
_start:
b reset
reset:
ldr sp,=4096
bl disable_watch_dog
bl clock_init
bl memsetup
bl copy_steppingstone_to_sdram
ldr pc,=on_sdram
on_sdram:
msr cpsr_c,#0xdf
ldr sp,=0x34000000
ldr lr,=halt_loop
ldr pc,=Main
halt_loop:
b halt_loop
我认为，最需要理解的就是这段代码了。先简单的解释下这段代码。
（1）由于arm执行reset之后pc会被清零，也就是reset中断的中断入口地址，因此，第一条指令就是b reset，跳转到reset中断处理函数。
（2）由于这里硬件配置都是C语言来完成的，而且我们的初始代码比较小，完全不会超出4KB，因此可以在SRAM使用堆栈，故将SP设置为4096，以提供C运行环境
（3）接下来的3个bl分别完成了关闭看门够定时器，配置时钟信号和存储器配置的工作，第四个bl是将SRAM的4KB空间内的代码拷贝到了SDRAM中。
（4）接下来的ldr句将pc赋值为on_sdram的地址，实现了从SRAM到SDRAM的跳转（下面会讲为什么）
（5）on_sdram中切换到了了系统模式然后分配了系统模式堆栈，将链接寄存器设置为halt_loop然后就跳转到了SDRAM中的Main
上面的解释只是大体上说明了代码的意思，但是初学者总会有个疑问就是为什么ldr pc,=on_sdram就实现了从SRAM到SDRAM的跳转呢？我被这个问题困扰了很长时间，到今天才想明白了这个问题，问题的关键就是相对跳转和绝对跳转的问题。为了说明这个问题我先解释一下bl指令跟ldr指令在执行过程中的区别。
B指令是相对跳转指令，B 指令是最简单的跳转指令。一旦遇到一个 B 指令，ARM 处理器将立即跳转到给定的目标地址，从那里继续执行。注意存储在跳转指令中的实际值是相对当前PC 值的一个偏移量，而不是一个绝对地址，它的值由汇编器来计算（参考寻址方式中的相对寻址）。它是 24 位有符号数，左移两位后有符号扩展为 32 位，表示的有效偏移为 26 位(前后32MB 的地址空间)，同样的，BL、BX都是相对跳转。
LDR伪指令是将第二操作直接赋值给第一操作数，当执行ldr pc,=Main时是将Main的绝对地址赋值给了PC。
好了，知道这两个指令的区别之后我们来看代码是如何实现的从SRAM到SDRAM的跳转，首先需要指出，2440的开发板有SRAM和SDRAM，SRAM是从地址0x00000000开始的4KB内存空间，SDRAM是从0x30000000开始的64M空间。
无论用ADS编译还是用arm-linux-gcc编译都会将代码链接到0x30000000以后（也就是SDRAM中），ADS用户可以通过查看ADS的工程配置，其中有项配置是RO起始地址是0x30000000，linux用户在链接时需要用-T指定代码的其实地址为0x30000000。
根据编译原理，在链接阶段程序中函数的地址就已经确定了，也就是说函数的实际地址都在0x30000000之后，而程序的入口函数也就是这里的_start的地址就是0x300000000，其他函数都会大于这个数。
但是由于arm上电后系统会将Nand flash的前4KB代码拷贝到SRAM中，也就是_start函数开始的4KB指令将被拷贝到SRAM中执行，根据上例，在0x00000000处执行的指令就是“b reset”，由于b是相对跳转，是在当前pc值的基础上加减某个数而跳转到将要执行的代码处，因此，pc加减该数之后将到达reset函数的位置，故reset函数不能写到4KB之外的空间中，否则arm的启动将会失败，同样的，接下来的几个bl都是执行的相对跳转，所以都相对当前pc进行的跳转，由于Nand flash总共只有64M的空间，所以相对跳转是不可能会跳转到SDRAM的，因为跳转到SDRAM至少要发生0x30000000的跳转，而这个相对位移远远大于64M。
而ldr pc,=Main是将Main函数的实际地址赋值给pc，而Main的实际地址是在0x30000000之后，这样，就从SRAM跳转到了SDRAM。
由于这个过程设计到了硬件格局和编译原理，所以对一般人来讲，理解起来确实比较困难，而且受本人水平限制，很多地方只能说是只可意会不可言传，如果误导了大家请大家谅解。当然如果看到这里还不能理解arm的启动过程可以留言讨论这个问题。下面是相关的其他代码，我附在这里，2440addr.h没有贴出，由于我也是使用arm自带示例程序中的代码，而且代码有四千多行，多数地址是没有用到的。其他的代码如下
代码Init.s
#include "2440addr.h"
void disable_watch_dog(void);
void clock_init(void);
void memsetup(void);
void copy_steppingstone_to_sdram(void);
void inituart(void);
void disable_watch_dog(void)
{
rWTCON = 0;
}
void clock_init(void)
{
rCLKDIVN = 0x03;
/*
*如果HDIVN非0，CPU的总线模式应该从
*“fast bus mode”变为“asynchronous
*bus mode”
*/
__asm__(
"mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0n"
"orr r1, r1, #0xc0000000n"
"mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0n"
);
rMPLLCON = (92<<12)|(1<<4)|(2);
//rMPLLCON = ((0x5c<<12)|(0x01<<4)|(0x02));
}
void memsetup(void)
{
volatile unsigned long *p = (volatile unsigned long *)0x48000000;
/* 这个函数之所以这样赋值，而不是像前面的实验(比如mmu实验)那样将配置值
* 写在数组中，是因为要生成”位置无关的代码”，使得这个函数可以在被复制到
* SDRAM之前就可以在steppingstone中运行
*/
/* 存储控制器13个寄存器的值 */
p[0] = 0x22011110; //BWSCON
p[1] = 0x00000700; //BANKCON0
p[2] = 0x00000700; //BANKCON1
p[3] = 0x00000700; //BANKCON2
p[4] = 0x00000700; //BANKCON3
p[5] = 0x00000700; //BANKCON4
p[6] = 0x00000700; //BANKCON5
p[7] = 0x00018005; //BANKCON6
p[8] = 0x00018005; //BANKCON7
/* REFRESH,
* HCLK=12MHz: 0x008C07A3,
* HCLK=100MHz: 0x008C04F4
*/
p[9] = 0x008C04F4;
p[10] = 0x000000B1; //BANKSIZE
p[11] = 0x00000030; //MRSRB6
p[12] = 0x00000030; //MRSRB7
}
void copy_steppingstone_to_sdram(void)
{
unsigned int *pdwSrc = (unsigned int *)0;
unsigned int *pdwDest = (unsigned int *)0x30000000;
while (pdwSrc < (unsigned int *)4096)
{
*pdwDest = *pdwSrc;
pdwDest++;
pdwSrc++;
}
}
注意：由于我们的代码比较小，远小于4KB，因此arm启动时自动拷贝到SRAM中的4KB代码包含我们的全部代码，因此copy操作我是将stepingstone中的4KB代码拷贝到了SDRAM中，在实际应用中代码多数是超过4KB，因此copy函数应该是将Nand flash中的全部代码拷贝到SDRAM，这样才能成功运行ARM。
代码Main.c:
#include "2440addr.h"
void Delay(int i)
{
int m,n,p;
for(m = 0; m != i; ++ m)
{
for(n = 0; n != 255; ++ n)
{
for(p = 0; p != 255; ++ p)
;
}
}
}
void Main()
{
int count;
int leds[4] = {0x1c0, 0x1a0, 0x160, 0xe0};
rGPBCON=0x00155555;
rGPBUP=rGPBUP&0xFF00;
while(1)
{
for(count = 0; count != 4; ++ count)
{
rGPBDAT=leds[count];
if(count%2)
rGPBDAT+=1;
Delay(2);
}
}
}
链接文件led.lds如下：
SECTIONS
{
. = 0x30000000;
.text : {*(.text)}
.rodata ALIGN(4) : {*(.rodata)}
.data ALIGN(4) : {*(.data)}
.bss ALIGN(4) : {*(.bss) *(COMMON)}
}
makefile如下：
objects:=Head.o Init.o Main.o
led.bin : $(objects)
arm-linux-ld -Tled.lds -nostdlib -o led_elf $^
arm-linux-objcopy -O binary -S led_elf $@
arm-linux-objdump -D -m arm led_elf > led.dis
%.o:%.c
arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<
%.o:%.s
arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<;
.PYTHON:clean
clean:
rm -f led.bin led_elf led.dis *.o
如上除了2440addr.h之外就都全了，另外需要指出的是2440addr.h中引用了Option.h，为了简化代码，可以将这句可以注释掉，在我们这段代码中完全用不到该文件相关功能。否则需要自行修改makefile文件完成Option.h相关的编译和链接工作。
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