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AR/QCA SPI 启动原理和 ART 地址定位原理

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发表于 2016-4-5 15:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 hackpascal 于 2016-8-16 12:14 编辑

本贴主要讲解 Bootloader 是如何在使用 SPI Flash 的 AR/QCA 的芯片上启动的,以及 OpenWrt 代码 ar71xx 的 mach 文件中类似于 u8 *art = KSEG1ADDR(0x1fff0000) 中 0x1fff0000 是如何得来的。
楼主之前在 U-Boot 编译教程中进行过简单的描述,但是因为实在是太简略了,所以打算写一个详细版的。

下面楼主将按照必要的顺序依次讲解。


1. CPU 地址、总线地址、映射

对于 MIPS CPU 来说,只有一种地址,即 CPU 地址。32 位 CPU 的寻址范围称为它的地址空间,也就是 4GB,从 0x00000000 到 0xffffffff。
而总线,则是用来连接外设的,外设的寄存器、RAM、ROM等,都要通过总线来访问。总线也有自己的地址空间。

CPU 地址跟总线地址是相互独立的。因此,要让 CPU 能够访问到外设,就必须要让 CPU 地址跟总线地址产生某种关联,这就是映射。
这就好比数学里面的映射。MIPS CPU 上的映射是从 CPU 上一段地址空间到总线上一段地址空间的一一映射。

有了这样的关联后,就很容易通过对 CPU 地址的操作来变成对总线上外设的操作了。


2. AR/QCA 的总线地址布局

以 AR9344 为例,如图:
ar9344.png

可以看到 AR/QCA 的 CPU 使用了总线地址的 0x00000000 ~ 0x1fffffff 共 512MB 的地址空间。
注意到内存也是通过总线来访问的。由图可知 AR/QCA 只有最大 256MB 的内存寻址能力。


3. MIPS 的内存布局

MIPS32 (即 32 位) 的内存模型都是一致的,如图:
addrspace.png

(图片来自 MIPS32 74K Processor Core Family Software User’s Manual)


由于 Bootloader 跟 Linux 内核都运行在 Kernel Mode 下,所以这里也只就 Kernel Mode 进行讨论。

由图可以看到,Kernel Mode 下,CPU 的地址空间被分为了5段: kuseg kseg0 kseg1 kseg2 kseg3。
kuseg 空间为 2GB,是用于用户态程序访问用的,kseg2 kseg3 是用作内核的内存分页用的。
这里只重点讨论 kseg0 和 kseg1。kseg0 和 kseg1 都占用 512MB 的地址空间。

由 MIPS 手册可知,kseg0 和 kseg1 都映射到了总线地址上的相同区域,也就是总线地址的 0x00000000 ~ 0x1fffffff 共 512MB 的空间。
这个映射是固定映射,也就是不会经过 MMU 的转换,访问 kseg0 跟 kseg1 都会直接被映射到总线上 0x00000000 ~ 0x1fffffff 的对应位置。

由于 AR/QCA 使用的总线地址空间也是这个范围,因此通过 kseg0 或 kseg1 就都能访问到整个总线地址空间。
如图:
map.png

从这里可以看到,kseg0 的范围是 0x80000000 ~0x9fffffff,kseg1 的范围是 0xa0000000 ~ 0xbfffffff。
又,总线地址空间范围是 0x00000000 ~ 0x1fffffff,那么:

1. 从总线地址映射到 kseg0 的方法是:在保证总线地址有效 (即总线地址在 0x00000000 ~ 0x1fffffff 内) 的情况下,将总线地址加上 kseg0 的起始地址,即:
  kseg0(addr) = 0x80000000 + addr
2. 从总线地址映射到 kseg1 的方法与从总线地址映射到 kseg0 的方法类似,即:
  kseg1(addr) = 0xa0000000 + addr
3. 从 kseg0 和 kseg1 映射到总线的方法是:将 CPU 地址除以 kseg0 或 kseg1 段长度,取余,得到的就是总线地址,即:
  bus(addr) = addr % 0x20000000

实际上,在 Linux 内核中,arch/mips/include/asm/addrspace.h 提供了相应的宏来进行上述的地址转换,简化后如下:

#define virt_to_bus(_virt) ((_virt) & 0x1fffffff)
#define KSEG0ADDR(_addr) ((_addr & 0x1fffffff) | 0x80000000)
#define KSEG1ADDR(_addr) ((_addr & 0x1fffffff) | 0xa0000000)
virt_to_bus 即为总 CPU 地址转换到总线地址, 与 0x1fffffff (即低 512MB 的掩码) 进行按位与操作,相当于除以 0x20000000 取余,即舍弃掉 512MB 之上的部分,只剩下低 512MB 的部分;
KSEG0ADDR 与 KSEG1ADDR 都先保证输入地址是有效的,再进行转换,这里的按位或运算,在结果上等同于加法运算

虽然 kseg0 跟 kseg1 都映射在总线相同的地址空间上,但是,它们的作用却并不相同:

kseg0 经过了缓存,kseg1 没有经过缓存。

kseg0 经过了缓存,也就是说从这个段读取出来的数据,可能是缓存过的,跟总线上实际的数据可能不同;向其写入的数据,可能会被延迟写入总线。
kseg1 则没有经过缓存,对这个段的任何读写操作都将立即反映在总线上。

所以:
kseg0 主要用于需要加速的内存访问和 ROM 访问
kseg1 主要用于设备寄存器的访问


4. MIPS 上的启动地址

MIPS 的 CPU 在复位后,会从 CPU 地址的 0xbfc00000 开始执行,也就是总线地址的 0x1fc00000。
可以看出 CPU 是在 kseg1 段上开始执行的,这是因为在 CPU 复位后,缓存还没用初始化,可能并不能使用。在不能保证 kseg0 段一定能使用的情况下,那么肯定只有从 kseg1 段开始执行了。


5. SPI Flash 和映射

这里的 SPI Flash 特指 SPI 接口的 NOR Flash (当然也有 SPI NAND Flash)。

NOR Flash 有个特点,即给出一个确切的地址,那么它就能连续输出从这个地址开始的数据。这个特点跟 DRAM 类似,因此它可以被用作启动设备。
这个特性被称为 XIP (eXecute-In-Place)。

为了实现这个特性,就需要 CPU 能够通过 CPU 地址空间访问到 Flash 上的数据。
由于 Flash 是一个外设,因此对它的访问是通过总线来进行的。

这里,又用到了映射:
Flash 有自己的地址空间,即存储数据的地址。
由于 Flash 是外设,因此它的地址空间会被映射在总线上面。这又是一个映射,只不过是从总线到 Flash 的映射。

那么,通过 CPU 访问 Flash,实际上经过了两次映射:第一次是 CPU 地址到总线地址的映射,第二次是总线地址到 Flash 地址的映射。
这样,CPU 就能够直接读取 Flash 的数据了。


6. AR/QCA 的 CPU 在 SPI Flash 上的启动

以 AR9344 为例,其它的型号也都基本相同

AR9344 遵循 MIPS 的要求,CPU 复位后,从 0xbfc00000 开始执行。

那么,总线地址 0x1fc00000 对应了什么外设呢?
从第 2 节可以看出, 0x1f000000 ~ 0x1fffffff 对应的正是 SPI Flash。

但是,Flash 是从 0x1f000000 开始映射的,那么 0x1fc00000 处映射的又是什么呢?

实际上,Flash 确实是从 0x1f000000 开始映射的,总共可以映射 16MB 的 Flash 空间。
为了兼容 MIPS 要求的 0xbfc00000 的复位地址,AR9344 在 0x1fc00000 处又重新对 Flash 进行了一次映射,映射了 Flash 开头的 4MB

但是,如果 0x1fc00000 处映射了 Flash, 那么从 0x1f000000 处就只能访问 12MB 的 Flash 空间了。
因此 AR9344 专门设置了一个寄存器,用来控制是否从 0x1fc00000 处重新映射 Flash。
这样的话,当 Bootloader 完成了启动过程,就可以关闭在 0x1fc00000 的重新映射,这样就能从 0x1f000000 处访问到完整的 16MB 的 Flash 空间了。


7. 如果 Flash 容量小于 16MB,那么会怎样

上一节已经说了,从 0x1f000000 可以映射 16MB 的 Flash 空间,那么如果 Flash 容量小于 16M,会怎么样?

实际上,Flash 对于地址有个回绕功能,也就是说,如果给定的地址超过了 Flash 的地址范围,那么 Flash 会自动让地址变成 0,即又从头开始。
Flash 的内部处理方式是将地址中超出容量的那些位 置零(或者说溢出),效果上相当于用给出的地址除以 Flash 的容量取余数。
这样对 Flash 来说,地址总是有效的,对外界来说,就像是 Flash 的数据在循环。

例如:某个 Flash 的容量是 4MB,那么它的地址范围就是 0x000000 ~ 0x3fffff。
如果访问 0x400000,就变成了访问 0x000000;如果访问 0x7f0000,就变成了访问 0x3f0000;如果访问 0xff0000,也是变成了访问 0x3f0000。

回到 AR9344 的 16MB 映射,如果 Flash 容量小于 16MB,那么在这 16MB 上的体现就是 Flash 数据重复映射了多次
例如:Flash 是 8MB 的,那么它就在 0x1f000000 和 0x1f800000 上各映射了一次;
如果 Flash 是 4MB 的,那么它就在 0x1f000000、0x1f400000、0x1f800000、0x1fc00000 上各映射了一次;


8. OpenWrt 的 mach 文件中,ART 数据地址的来历

在上面几节说来这么多之后,对于类似于 u8 *art = KSEG1ADDR(0x1fff0000) 这样的地址就应该很好理解了:

假设 ART 位于 Flash 的最后 64KB,那么它在 Flash 中的地址就是 Flash 容量 - 64KB。

例如:
Flash 是 4MB 的,那么 ART 在 Flash 中的起始地址就是 0x400000 - 0x10000 = 0x3f0000;
Flash 是 8MB 的,那么 ART 在 Flash 中的起始地址就是 0x800000 - 0x10000 = 0x7f0000;
Flash 是 16MB 的,那么 ART 在 Flash 中的起始地址就是 0x1000000 - 0x10000 = 0xff0000;

那么,这个地址在总上的映射就是 0x1f000000 + ART 地址,即:
Flash 是 4MB 的,那么 ART 在总线中的起始地址就是 0x1f000000 + 0x3f0000 = 0x1f3f0000;
Flash 是 8MB 的,那么 ART 在总线中的起始地址就是 0x1f000000 + 0x7f0000 = 0x1f7f0000;
Flash 是 16MB 的,那么 ART 在总线中的起始地址就是 0x1f000000 + 0xff0000 = 0x1fff0000;

现在,假设 OpenWrt 并不知道 Flash 的容量:
如果在 mach 中使用 8MB Flash 的 ART 地址 0x1f7f0000,如果 Flash 是 16MB 的,那么通过 0x1f7f0000 就无法获取正确的 ART 数据。

那么解决方法是什么呢:
那就是假设 Flash 都是 16MB 的,这样的话就会使用 0x1fff0000 这个地址。
当 Flash 容量小于 16MB 时,根据上一节所说的地址回绕功能,通过 0xff0000 访问到的就是 Flash 实际最后 64KB 的内容。

这就是 mach 文件中这个地址的来历。


9. (补充) 为什么从 AR7240 开始 U-Boot 的基址是 0x9f000000

如果编译过 U-Boot,那么可能会发现 AR7161/AR913X 之类的 CPU,其启动地址,即 U-Boot 的基址 (TEXT_BASE) 是 0xbf000000;而之后的 CPU (从 AR7240 开始),其 U-Boot 的基址是 0x9f000000。
但是如第6节所说,CPU 复位后的执行地址是 0xbfc00000,那么为什么 U-Boot 能从这两个地址启动呢?

就 AR7161/AR913X 来说,这很容易根据解释:
首先必须明确,无论 U-Boot 在编译时指定的基址是什么,CPU 总是从 0xbfc00000 开始执行的。
根据第6节所述,0xbf000000 跟 0xbfc00000 映射了相同的 Flash 地址,也就是说这两个地址最多能映射4MB相同的数据。
那么 U-Boot 在执行时,就可以根据 (当前执行地址 - 0xbfc00000 + 0xbf000000) 的方式跳转到与 0xbf000000 相对应的地址来继续执行。
在执行跳转后,U-Boot 会立即关闭 0x1fc00000 处 Flash 的重映射,因此 U-Boot 必须在进入 C 环境 (即使用栈帧) 之前完成跳转,否则栈中会保留 0xbfc00000 相关的地址,在禁用 Flash 重映射后会失效。

就 AR7240 开始的 CPU 来说,就要考虑到缓存了:
从 AR7240 开始,CPU 支持 Flash 映射的读缓存和指令缓存。但是根据第4节的描述,CPU 初始化时,kseg0 段的缓存并未初始化,不能访问。
因此 U-Boot 会先将缓存初始化,然后使用和 AR7161/AR913X 相同的方式 (当前执行地址 - 0xbfc00000 + 0x9f000000) 来跳转到与 0x9f000000 相对应的地址 ,即 kseg0 段来执行。

AR7161/AR913X 不支持 Flash 映射的指令缓存,虽然可以从 0x9f000000 读取 Flash 数据,但是从 0x9f000000 执行则会导致 CPU 异常。

从 kseg0 执行 U-Boot 的好处显而易见:有缓存,能加快 U-Boot 的执行速度。


10. 后记

嵌入式设备开发需要掌握很多的知识,并不是只会编程就行了。例如还需要学习计算机组成原理、操作系统原理等等。
很多开发者对这些并不了解,因此对于这些文件都会有相当多的疑问。
楼主尽量将文章内容简化,以使其变得能够容易理解,并希望能够起到抛砖引玉的作用。
希望通过此文让开发者能过对嵌入式设备开发有更深入的了解,消除疑惑。


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参与人数 16恩山币 +31 收起 理由
oja520 + 1 感谢你的分享,无论怎样,你都是最无私的人!来,说说,你E盘上还有啥一起给我吧!
rayenmax + 1 我对你的敬仰犹如江水滔滔,我上朝鲜战场后一定写信给你!!!
happyssy + 1 我来恩山就是为了撩你!
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victor_tudou + 1 非常详细的科普知识, 非常感谢
cuantianhou + 1 楼主威武—我就想问问挖掘机技术哪家强?
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我的恩山、我的无线 The best wifi forum is right here.
发表于 2016-4-5 15:17 | 显示全部楼层
我是二楼

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参与人数 2恩山币 +2 收起 理由
snn_snn + 1 大神 我来恩山就是为了看你!
fa345 + 1 找Q:193868345,就是找他定位我老公的位置

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发表于 2016-4-5 15:25 | 显示全部楼层
ARM地址映射是否类似?感觉ARM要简单一些。

点评

没用过arm,不清楚。但是原理一般都是一样的  发表于 2016-4-6 10:49
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发表于 2016-4-5 15:26 | 显示全部楼层
学习一下,感谢楼主分享!
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发表于 2016-4-5 15:40 | 显示全部楼层
赞赞赞 H大
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发表于 2016-4-5 16:06 | 显示全部楼层
mark 一下
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发表于 2016-4-5 16:30 | 显示全部楼层
顶起   H大神
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发表于 2016-4-5 16:57 | 显示全部楼层

mark 一下
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发表于 2016-4-5 17:30 | 显示全部楼层
不看,先顶起来......
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发表于 2016-4-5 17:51 | 显示全部楼层
学习一下,感谢楼主分享!
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感谢大牛分享!   大牛的 breed 赞!
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发表于 2016-4-6 08:49 来自手机 | 显示全部楼层
学习了,谢谢大神
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发表于 2016-4-7 12:02 | 显示全部楼层
技术贴,学习学习,谢谢楼主的分享,谢谢,顶上!
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发表于 2016-4-7 12:49 | 显示全部楼层
本帖最后由 dante9394 于 2016-4-7 12:56 编辑

虽然看不懂但是感觉很厉害的样子,过来膜拜大神
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