AT91SAM9G45上电启动和bootstrap移植过程
来源：互联网 发布：java构造方法是什么 编辑：程序博客网 时间：2024/05/21 10:08
出处：http://blog.sina.com.cn/s/blog_686ced250102vyml.html
猛一回头，觉得笔记不能断掉，所以趁空好好整理一下思路。
最近做了什么？从9月底到今天约20天三周的时间里，基本就是：熟悉canopen协议栈，熟悉bootstrap,uboot源码及其移植，期间了解了下ARM裸机启动和内部时钟配置，norflash驱动移植。
从哪里说起呢？当然是ARM裸机启动。我觉得这也应该是做嵌入式开发的起点，从裸机启动，程序下载，bootstrap、uboot、os、fs、驱动的移植，到最后是上层应用程序的开发。所以很高兴，我认识到了学习的路线，并且我的工作就是要走遍全程。
（一）AT91SAM9G45上电启动过程
主要参考《U-boot在AT91RM9200上的全线移植分析原始版》第3章1节AT91RM9200的启动方式，《SAM926X 裸奔指南》，《at91sam9g45 datasheet》第11章boot strategies。参考资料都很详细，我这里画一幅图总结一下。
上面的图示已经说的很清楚了，一般裸机第一次上电启动是通过SAM-BA或者DBGU往存储器下载正确的程序，之后可以从其它一些存储器启动，比如片外norflash，nandflash,dataflash等等。我手里有块at91sam9m10g45-ek的开发板，就是从EBI0 CS3上的nandflash启动的，nandflash的空间分布如上图的NVM空间分布，而我的目前项目是要从片外的norflash启动的。就上图我再提几个问题，在后文中都会一一解答：
1.如果BMS=低电平，CPU上电能否直接成功从norflash读取第一条指令？这里norflash的型号有没有限制？
2.
3.
（二）AT91SAM9G45从norflash启动：
主要是解决如下几个问题
（1） at91sam9g45上电能不能正确的读我们的norflash执行第一条指令？这个norflash的型号支持么？
这是个关键的问题，如果答案是否定的，那么只能改板，选择上电BMS=1从nandflash等启动。从atmel的技术人员那边得到的答案是肯定的；从datasheet上看，检测到BMS=0，片内慢速RC做时钟源，连接在EBI CS0上得norflash被映射到地址0x00000000，开始执行第一条指令，并没有提及norflash的型号，推断是型号无关的；从网络上的资料，解释说norflash芯片都是使用的是统一的接口，读取不需要驱动，而nandflash不同，需要相应驱动才能读写。所以，我们暂且认为从norflash启动是没有问题的。
（2） norflash里面的程序通过什么下载进去？
现在的项目实际情况是，SAM-BA只支持对现有的片内SRAM和DDRAM进行烧写，J-FLASH也是无法检测到使用型号的norflash，手动选择了之后又会提示ID校验错误，无法读写。但是J-LINK连接正常。所以，准备通过SAM-BA烧写代码段1到DDRAM的地址1处，烧写代码段2到DDRAM得地址段2处。其中代码段1实现norflash的烧写，把代码段2拷贝到norflash地址0处，代码段2即为移植好的bootstrap。然后，我们通过J-LINK的命令设置PC跳转到代码段1处执行。在这个过程中有学习到一些内容。
的内部时钟>
也是用图总结一下：
上图左侧为原始时钟源3个，右侧为由此产生的4种不同时钟，这4种时钟成为后面产生其他各种系统时钟的时钟源。旁边标注的数字为常见应用的典型值。
上图即为系统中各种时钟的产生过程，具体到如何使产生相应频率的时钟，就是配置相应的寄存器，可以参考PMC最后一节。
的读写>
对存储器的操作，最主要的就是实现读，擦除，写这函数，参考已有的S29GL512S10TF101
上图是norflash的读时序图；
上图是at91sam9g45的SMC标准读时序图，通过寄存器配置，设置图中6个时间参数值，满足norflash的时序要求即可。
（3）bootstrap的移植？
上面已经完成了代码段1的任务，下面就来实现代码段2，也就是移植好的将要放在norflash 0地址处的代码bootstrap。
既然是移植，那就有个参考。当然其实源码是最好的参考，但是从一个菜鸟的角度思考，自己当时一心只想着把手里的9m10g45开发板上的东西全部移植过来，所以就将这块板子作为参照了。那我就有几个问题需要回答，在9m10g45开发板上，bootstrap的功能是什么？它是在什么时候什么样的环境下执行的？
bootstrap的功能
参考《U-boot在AT91RM9200上的全线移植分析原始版》可知，在9m10g45开发板上，bootstrap放在nandflash的0地址处，该代码主要实现SDRAM的初始化，并把u-boot拷贝到SDRAM的固定地址处，然后跳转到该地址处，开始执行u-boot。可以看到bootstrap的出现主要是考虑到有的CPU片内SRAM空间太小（例如AT91RM9200的只有16K），无法直接装载u-boot镜像，所以需要一个6K左右的bootstrap加载u-boot到SDRAM执行。at91sam9g45片内虽然有64K的SRAM，但是想要装载u-boot还是有点困难。
参考Bootstap v1.6源码，main.c很简单，主要就调用了两个函数hw_init()和load_norflash(IMG_ADDRESS, IMG_SIZE, JUMP_ADDR)。hw_init()函数实现一些硬件的初始化，包括DBGU，时钟，DDRAM。load_XXXflash(IMG_ADDRESS, IMG_SIZE, JUMP_ADDR)函数即从相应的flash(norflash,nandflash或dataflash)中下载u-boot到SDRAM的JUMP_ADDR地址处，然后bootstrap就算完成任务了，跳转到JUMP_ADDR地址。
bootstrap的执行环境
从上面上电启动过程一篇知道，在9m10g45开发板上，上电后检测到BMS=H，则内部ROM被映射到0x00000000处，开始执行ROM内固化的第一段代码boot program。设置堆栈，使能主时钟，初始化C变量，初始化PLLA，然后初始化nandflash，检测到从nandflash启动（如何检测的可以参考datasheet），然后拷贝nandflash里的bootstrap到片内SRAM 0地址处，最后通过SRAM被映射到0x00000000处开始执行bootstrap，CPU的控制权就交给了bootstrap。
这样看来，bootstrap开始执行前，已经做了不少工作，如果要上电从片外的norflash启动，CPU是从0状态启动的，就是说还没有执行任何的代码。这样我们要成功把bootstrap移植到norflash，就要在它之前实现boot program的部分功能，将这段代码放在norflash的0地址处先于bootstrap执行，由它为bootstrap创造一个同样的执行环境。并且，实际上开发板上nandflash里面的bootstrap只是原始数据，bootstrap真正的运行是被拷贝到片内SRAM里面,所以这段代码似乎还要负责将norflash里的bootstrap拷贝到片内SRAM。
问题似乎变得稍微复杂了一些？一方面，目前没有固化在ROM片内的那部分代码的源码，它具体做了多少工作还不知道，只是根据参考资料了解到它的主要功能，另一方面作为一个刚入门的菜鸟而言，对自己写代码是没有一点信心的，因为无论是对ARM处理器还是程序的编译连接执行都了解的不多。使能主时钟，把bootstrap拷贝到片内SRAM去执行，起码这两个功能是要实现的。真的要自己去加入这样一段代码么（呵呵，见笑了，其实实现挺简单的，确实自己的水平还不够）？
所幸Bootstrap v1.6的源码比较简单（当然啦，因为它生成的镜像大小不能超过十几K），条理也比较清楚ctrl0_gnu.S------------>main.c------------>ctrl0_gnu.S。我们不妨先浏览一下源码（代码的注释可以很好的帮助我们理解功能）。
我发现在ctrl0_gnu.S里面，主要是初始化程序堆栈，重定位到SRAM，设置使能主时钟，初始化一些段，跳转到main.c，继而初始化SDRAM，拷贝u-boot到SDRAM，跳转到SDRAM（我只是走马观花的理了一下流程，有些功能怎么实现的为什么需要我还不清楚）。可以看到，在bootstrap主要功能实现（main.c）前执行的ctrl0_gnu.S也做了一些工作，其中就包括使能主时钟，如果上面所说的“重定位到SRAM”能实现把bootstrap拷贝到片内SRAM去执行（为什么会有这种猜测？因为这段代码的注释是在使用norflash的情况下条件编译的，而且代码的注释是“When running from NOR, we must relocate to SRAM prior to resetting the clocks and SMC timings”，这段代码确实是一段拷贝功能），那么就不需要我们去给bootstrap创造和9m10g45开发板上一样的运行环境，它自己就给自己创造了。
我们为什么必须把bootstrap拷贝到SRAM执行？程序是可以直接在norflash上运行的，不考虑执行速度的要求，我们不拷贝直接将源码编译生成的镜像文件下载到norfalsh执行可以不？这里又需要多考虑一点。解答这个问题又学到了不少东西:程序的加载地址，链接地址，运行地址的作用（是的，在这之前我竟然不知道这些东东，尽然不知道链接脚本，之前写好程序直接gcc生成可执行文件就运行了。当然，我现在的理解也很肤浅，以后好好补课。）我们写好的.c程序通过编译汇编（编译器汇编器）生成相应的二进制目标代码，然而这时程序中用到的一些地址（比如函数的跳转地址，标号代表的地址）还只是相对地址，相对于第一条代码的偏移量，我们还需要一个链接器，该链接器通过链接脚本.lds指定的参数得到.c程序数据段，代码段等各部分的链接地址（暂不考虑动态链接），通过链接地址就计算出了程序中代码的绝对地址（相当于链接地址给了一个基地址，将相对偏移量换算成绝对地址），然后链接得到代码各个段（section）的在内存中的分布，我们就可以下载到相应内存中去执行了。举个例子，假设链接脚本里面指定了代码段（.text）的地址是A，然而我们下载的时候加载到了内存地址B处，那么遇到代码中的地址跳转指令要跳到A offset(这是链接的时候计算出来的)，然而实际要执行的代码可能在B offset处，那么程序就“跑飞”了。那么，是不是加载地址必须等于链接地址？也不是的，例如如果代码里面没有跳转指令或者说没有用到绝对地址（相对跳转），这就是所谓的地址无关代码（无论加载到哪里，都可以执行）。
加载地址：程序实际在内存中存储的地址，也就是被下载到内存的地址。一般通过设置下载工具实现。
链接地址：链接器规定的程序的运行地址。程序中的绝对地址都是在链接过程中通过该地址计算出来的，一般代码的运行地址（执行时候的地址）应该等于该链接地址，除非地址无关的代码。可能等于加载地址，也可能不等于加载地址。一般在链接脚本中指定。
运行地址：程序实际运行时候所处的地址。可能等于加载地址（这时一般加载地址等于链接地址等于运行地址，直接在存储程序的地方flash,rom执行，这样执行速度比较慢），也可能等于链接地址（加载地址可以不同于链接地址，该代码是被运行于它之前的代码从加载地址处拷贝到该地址处的，这是常见的情况，代码存放在flash,rom中，执行在sram,sdram中），也有可能既不等于加载地址也不等于链接地址（除非是地址无关代码——在哪里都能正常执行，否则无法正常执行）。
<</span>说明一下，上面的认识和举的例子可能有许多不当之处，只是为了易于理解，而且我就是这样理解的。但是要细究，还是需要花点时间看看这方面的书籍>
我们可以在bootstrap源码相应目录下找到makefile，board---->at91sam9m10g45ek---->nandflash---->Makefile里面：
# Link Address and Top_of_Memory
LINK_ADDR=0x300000
TOP_OF_MEMORY=0x304000
此处即设置了链接地址，对应的正是片内SRAM的首地址。然后在链接的过程，通过指定参数-Ttext来告诉链接器该链接地址：
LDFLAGS =-T $(BOOTSTRAP_PATH)/elf32-littlearm.lds -Ttext $(LINK_ADDR)
现在，那么我们是不是可以改变这个链接地址为norflash的地址，bootstrap就不用拷贝进SRAM中执行了？是的。到此，我们要为norflash上的bootstrap创造的运行环境已经解决，其实回头一看，没多少东西，但是我却感觉学到不少知识。我们还有一个问题没有解决，ctrl0_gnu.S中重定位到SRAM这段代码是什么功能？那么我们来分析一下这段代码。
接下来的代码就实现了将_stext到_edata部分的代码拷贝到LINK_ADDR指向的地址处，然后继续执行_setup_clocks段代码。怎么实现的？关键是这一句：ldrcc
bootstrap的移植过程
有了上面理解的基础，移植过程变得简单。依程序为主线，主要修改board---->at91sam9m10g45ek----> at91sam9m10g45ek.c（需要实现void norflash_hw_init(void)函数，参考at91cap9adk知道就是上篇说到的配置SMC的相关寄存器值满足norflash的读写时序），board---->at91sam9m10g45ek----> norflash----> at91sam9m10g45ek.h，board---->at91sam9m10g45ek----> norflash----> Makefile。主要是修改一些参数值，只要清楚了他们代表的意思，就很容易了。
最后编译后生成的镜像下载到norflash的0地址处，上电片外引导，成功启动，调试串口输出打印信息。
（最后提一下，移植过程中，SDRAM的初始化部分没有考虑，因为开发板和项目所使用的SDRAM型号一样，且连接方式相同。不过，完整的移植是要考虑这部分的，主要也是实现at91sam9m10g45ek.c中的void ddramc_hw_init(void)函数，配置相关寄存器满足SDRAM时序）
