ARM體系結構第二篇，主要理解CPU的記憶體介面，ARM啟動過程。

記憶體對映

S5PV210屬於Cortex-A8架構，有32位地址線和32位資料線，所以CPU的地址空間為4G，但是由於使用了統一編址，外設佔用了一部分地址空間，實際供記憶體使用的地址空間將小於4G，那麼對於這個4G的地址空間的分配，就是記憶體對映，或者說叫地址對映，下圖是S5PV210的記憶體對映分佈圖，來自於使用者手冊：
記憶體分佈的描述：

• iROM：internal ROM，內部只讀儲存器，整合到SOC內部的ROM
• iRAM：internal RAM，內部的隨機讀寫儲存器，整合到SOC內部的RAM
• DRAM：動態RAM
• SRAM：靜態RAM
• ONENAND/NAND：ONENAND是三星發明的一種NAND Flash的變種，提高了一些存取特性
• SFR：特殊功能暫存器

來看一下iROM段的記憶體分佈圖：

iROM用於存放程式碼，iRAM用於存放資料，所以iROM和iRAM之間用Not Available來分割開，也是哈佛結構的體現，我們還可以看到區分的有Secure和Not Secure區域。

外部儲存器介面

儲存器分類

記憶體：內部儲存器，用於程式執行空間，例如DRAM，SRAM，DDR
外存：用於儲存的ROM，例如硬碟，Flash，NAND，iNAND，ONENAND，U盤，SD卡，SSD，光碟等

儲存器訪問方式

記憶體需要直接訪問，所以通過地址匯流排和資料匯流排的方式直接連線來訪問，好處是隨機訪問速度快，但是佔用的匯流排位數多，訪問的空間有限，通過使用者手冊看出，DRAM0和DRAM1加起來，S5PV210的記憶體地址空間為1.5G，
外存不是通過地址匯流排來直接連線訪問的，而是通過外存介面來連線，不會佔用過多的記憶體地址空間，S5PV210的外存地址空間段為：0xB000_0000~0xBFFF_FFFF的ONENAND/NAND區域，通過外存介面可以擴充資料儲存容量，但是速度沒有記憶體快，訪問要分幾個週期，時序比較複雜

常用外部儲存器

• NorFlash：可以匯流排方式訪問，可以接到CPU的地址空間中，以記憶體的方式來訪問，S5PV210就可以將一塊NorFlash接到SROMC_BANK區域，實現記憶體方式的匯流排訪問(網絡卡其實也可以接到這個SROMC_BANK區域來訪問)，桌上型電腦上的BIOS其實就是一塊NorFlash，CPU如果要從NorFlash訪問，就需要這樣接入SROMC_BANK區域，
• NandFlash：不能通過匯流排方式訪問，需要使用命令介面通過時序來訪問，iROM區域就是用於NAND Flash來啟動的，分為SLC和MLC兩種工藝
  
  • SLC：容量不大，價格高，時序簡單，訪問簡單，穩定性高
  • MLC：容量可以做很大，價格低，容易出現壞塊和位翻轉，需要做ECC校驗，訪問比較複雜
    
    • eMMC/iNand/moviNand：同屬於eMMC，iNAND是SanDisk出產的eMMC，moviNand是三星出產的eMMC
    • oneNand：三星出的Nand標準
    • SD/TF/MMC卡：同屬於SD卡系列
    • eSSD：屬於SSD固態硬碟的嵌入式MLC的NandFlash
  • SATA/IDE/SCSI硬碟：機械訪問，速度慢

S5PV210啟動

記憶體

• SRAM：靜態記憶體，容量小，價格高，不需要軟體初始化，直接上電就可以使用
• DRAM：容量大，價格低，就是我們平常見的DDR，上電後不能直接使用，需要軟體初始化

外存

NorFlash：容量小，價格高，可以通過匯流排直接訪問，上電後可以直接讀取，一般用作啟動介質
NandFlash：容量大，價格低，不能以匯流排方式訪問，上電之後需要通過軟體進行初始化，然後才能使用時序介面進行訪問

嵌入式系統啟動

嵌入式的啟動介質：外接NandFlash + 外接DRAM + 內建SRAM(iRAM)

S5PV210：210內建了96KB的iRAM(SRAM)，和一塊64K的iROM(NorFlash)，啟動過程如下

• CPU上電後從iROM中讀取預先設定的程式碼(BL0)，地址在：0xD000_0000~0xD000_FFFF，這段程式碼進行
  
  • 初始化指令Cache，堆，棧，塊裝置複製函式(讀取外部啟動方式)，PLL和系統內部時鐘，關看門狗，複製BL1(16K)到iRAM中並檢查BL1的校驗和，安全啟動相關設定，並跳轉到BL1去執行
  • 這段程式碼在出廠前設定的，所以暫時還不能初始化NandFlash和DRAM，然後判斷我們通過硬體跳線設定的啟動模式，從相應的外部儲存器讀取啟動程式碼(bootloader)到iRAM中，但是一般啟動程式碼都超過了iRAM的96K的容量，三星的解決方案是把啟動程式碼分2部分，依次讀取：
• BL1(可配置，最大16K)：iRAM執行該段程式碼，來初始化Flash，然後把BL2讀取到iRAM中
• BL2(佔用剩餘80K的空間)：初始化DRAM，將OS讀取到DRAM中，從而啟動OS
• 啟動方式可以根據這個圖來看：
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• 啟動流程圖是這樣的：
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  • WakeUp status：復位狀態，深度休眠或者深度停止
  • OM pin：撥碼開關
• 如果第一次啟動失敗，則會進行第二次啟動，第二次啟動會走SD卡的通道2，如下圖所示：
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• 如果SD卡通道2啟動失敗，則會執行UART啟動，
• 如果UART啟動失敗，則會執行USB啟動，
• 如果都失敗了，則徹底啟動失敗

開發板啟動方式選擇

通過OM pin可以設定啟動方式，通過配置pin來設定，具體設定如圖所示：

對照圖片來設定。

ARM架構和工作模式

• ARM採用32位架構
  
  • Byte：8bit
  • Halfword：16bit（2Byte）
  • Word：32bit（4Byte）
• 大部分ARM提供三種指令集
  
  • ARM指令集（32bit）
  • Thumb指令集（16bit）
  • Thumb2指令集（16&32bit）
  • Jazelle Core還提供了Java ByteCode的支援
• 7中工作模式
  
  • USER：非特權模式，大部分任務執行在這種模式下
  • FIQ：快速中斷模式，高優先順序的中斷產生時會進入這種模式
  • IRQ：中斷模式，普通中斷產生時進入這種模式
  • SUPERVISOR：復位或者軟中斷指令被執行時進入這種模式
  • ABORT：存取異常時進入這種模式
  • UNDEF：執行到未定義指令時進入這種模式
  • SYSTEM：系統模式，核心執行在這種模式下，使用和USER模式相同的暫存器
  • 除USER是Normal模式之外，其他都是Privilege特權模式
  • 除SYSTEM之外其他特權模式都是異常模式
  • 可以通過寫CPSR暫存器主動切換模式，也可以由CPU自動切換
  • 各種模式下許可權和可訪問的暫存器是不一樣的

ARM內部通用暫存器

ARM的CPU內部有17個基本通用暫存器，根據不同的工作模式可以定義成37個暫存器，每個暫存器都是32位，相對於其他裝置的SFR來說，會更復雜一些，通用型暫存器通過暫存器的名字來訪問：

每種模式下最多看到18個暫存器，其他暫存器雖然名字相同，但都屬於該模式的專用暫存器，在當前模式看不見。
例如USER模式下的r13（sp）和r14（lr），是不重複的，是使用者模式專用的暫存器，這兩個暫存器在模式切換的時候是不需要考慮重複問題的，所有模式下的暫存器見下圖：

CPSR程式狀態暫存器

該暫存器一共32bit
- 0~4是模式位，表示處理器的7中模式之一
- 5是T位，切換處理器狀態，0是ARM狀態，1是Thumb狀態
- 6~7分別表示I，F中斷禁止位，I= 1，禁止IRQ，F= 1，禁止FIQ
- 8~23未定義
- 24是J位，處理Jazelle狀態，J = 1，支援Jazelle，僅支援ARM 5TE/J架構
- 25~26未定義
- 27是Q位，指示飽和狀態，Q = 1，飽和，僅支援ARM 5TE/J架構
- 28~31是V,C,Z,N條件位：
- V = 1：表示ALV運算溢位
- C = 1：表示ALV運算的進位標識位溢位
- Z = 1：表示ALV運算得到了一個0
- N = 1：表示ALV運算得到了一個Negative負結果

PC程式狀態暫存器

• 稱為程式指標，PC指向哪裡，CPU就會執行哪條指令，
• 例如程式跳轉時把目標地址放在PC中，
• 整個CPU只有一個PC

ARM異常處理方式

異常

異常是指程式在執行過程中，發生了正常工作之外的流程，異常會打斷正在執行的工作，且希望異常處理完成之後回來繼續進行原來的工作，中斷也是異常的一種，7中工作模式中除了USER和SYSTEM之外的工作模式都是用來處理異常。

異常向量表

• 異常向量表是CPU處理異常的手段，所有CPU都有異常向量表，屬於硬體設計範圍，
• 當異常發生時，CPU會自動動作，由PC跳向異常向量處(異常處理地址)來處理異常，有時還會伴隨一系列輔助動作，
• 異常向量表是硬體想軟體提供的處理異常的支援

ARM異常處理機制

• 當異常產生時，ARM Core需要：
  
  • 拷貝CPSR到SPSR_<對應模式>
  • 設定適當的CPSR
    
    • 改變處理器狀態進入ARM狀態
    • 改變處理器模式進入相應的異常模式
    • 設定中斷禁止位禁止響應中斷，以防異常處理被打斷
  • 儲存返回地址到LR_<對應模式>
  • 設定PC為相應的異常向量
• 當異常返回時，ARM Core需要
  
  • 從SPSR_<對應模式>恢復CPSR
  • 從LR_<對應模式>恢復PC
  • 以上操作都在ARM狀態進行
• 異常處理有一些是CPU自動動作，有一些是需要程式設計師手動操作的，CPU設計時提供的異常向量表，一般屬於一級向量表，有的CPU為了支援多箇中斷，還會提供二級向量表，處理的方式和一級向量表類似。