S32K144芯片內存映射圖與啟動流程分析

1. S32K144為NXP公司采用ARM內核（cortex-M4）IP和ARMv7-M架構集成的SOC。

2. 內存映射圖

2.1 S32K144芯片內存映射圖（memory map）

2.2 Cortex-M4內存映射圖

Code，SRAM，RAM區域都能保存程序。ARM系統推薦使用Code段來保存執行程序。

3. 編程模型

3.1） Cortex-M4兩種工作模式：

線程模式（Thread Model），應用程序正常執行的時候所在的模式，處理器每次reset重啟后進入這個模式；異常處理模式（Handler Model），CPU異常處理的時候進入這個模式，當CPU執行完異常處理程序后會退回到Thread Model。

3.2） Cortex-M4兩種特權級：

非特權級狀態（Unprivileged），軟件限制使用MSR和MRS指令，不能使用CPS指令。不能訪問系統定時器，NVIC嵌套向量中斷控制器和系統控制塊。特權級狀態（Privileged），能訪問所有資源，使用所有指令。

3.3） Thread模式下，CONTROL寄存器控制軟件執行在privileged或者unprivileged狀態。unpriveleged 軟件執行時可以通過 SVC 指令進行supervisor call進入privilieged software。

3.4） 處理器使用降棧。Thread mode下，CONTROL寄存器控制處理器使用main stack還是進程棧process stack。在Handler模式下，處理器只使用main stack。

3.5） 核寄存器（Core registers）

R0-R12為通用寄存器

特殊寄存器：

R13是堆棧寄存器（stack Pointer），在Thread mode下，COTROL寄存器的bit[1]控制stack pointer作為Main Stack Pointer（MSP 這個是reset 值）還是Process Stack Pointer（PSP）

note：reset后，處理器裝載0x00000000地址處的四字節值到MSP寄存器。也就是說系統啟動的時候，0地址處存放的是MSP寄存器的值。

R14是連接寄存器（Link Register），他存儲子程序、函數調用、異常處理程序時的返回信息。reset重啟時，處理器設置LR寄存器的默認值為0xFFFFFFFF。

R15是程序計數器（Program Counter PC）。存儲當前程序地址。reset重啟的時候，處理器裝載0x00000004地址處的值到PC指針。

程序狀態寄存器（Program Status Register），包括應用程序狀態寄存器（Application Program Status Register APSR）、中斷程序狀態寄存器（IPSR）、異常程序狀態寄存器（EPSR）。

4. startup_S32K144.S源代碼分析：

4.1 上電啟動

根據上面的分析，reset后處理器從0x00000000地址處取四字節值到MSP寄存器，也就是取 __StackTop標號的值到MSP寄存器。然后處理器裝載0x00000004地址處的值（Reset_Handler標號代表的值）到PC指針，也就是程序跳轉到Reset_Handler標號處開始運行。

__isr_vector:
    .long   __StackTop                                      /* Top of Stack */
    .long   Reset_Handler                                   /* Reset Handler */

4.2 關閉CPU全局中斷

通過匯編指令“cpsid i”，關閉 CPU 全局中斷的目的是避免啟動過程中中斷的影響；因為此時中斷向量表還未建立好，無法響應外設中斷

Reset_Handler:
    cpsid   i               /* Mask interrupts */

4.3 清零R1-R12通用寄存器

每次復位后， CPU 內核寄存器的值是隨機不確定的，所以需要將其清零。

note 1: 為什么清零r1-r7寄存器用ldr偽指令，而清除r8-r12寄存器是要用mov指令 ？

r1-r7是low registers，r8-r12是hight registers，參考ARMv7-M Architecture手冊：

大多數16位指令指令只能訪問R0-R7這8個通用寄存器（low registers）；只有小部分的指令能訪問R8-R15寄存器（high registers）

note2:LDR R，label 和 LDR R，=label的區別

LDR 是ARM中的指令，也是偽指令。當用 LDR r, =imd ；r 為寄存器， imd為立即數LDR 是一條偽指令。編譯器會根據 立即數的大小，決定用 ldr 指令或者是mov或mvn指令。當imd能用mov或者mvn操作時，就將它翻譯成一條mov或mvn指令。當imd大于mov或mvn能夠操作的數時，編譯器會將imd存在一個內存單元中，然后再用一條ldr指令加載這個內存單元的的值到寄存器中。

LDR r, label 和 LDR r, =label的區別：

LDR r, =label 會把label表示的值加載到寄存器中，而LDR r, label會把label當做地址，把label指向的地址中的值加載到寄存器中。譬如 label的值是 0x8000， LDR r, =label會將 0x8000加載到寄存器中，而LDR r, label則會將內存0x8000處的值加載到寄存器中。

    /* Init the rest of the registers */
    ldr     r1,=0
    ldr     r2,=0
    ldr     r3,=0
    ldr     r4,=0
    ldr     r5,=0
    ldr     r6,=0
    ldr     r7,=0
    mov     r8,r7
    mov     r9,r7
    mov     r10,r7
    mov     r11,r7
    mov     r12,r7

4.4 初始化堆棧

ARM Cortex M 系列 CPU 內核有 MSP 和 PSP 兩個 32-bit 的堆棧，由于中斷和異常處理時使用 MSP 所以必須在發生中斷/異常之前將其初始化，其初始化值來自默認向量表的 0 地址偏移，即 0x0000 地址存放的 4 個字節。

note: __StackTop是S32K144_64_flash.ld鏈接器腳本中定義標號，也就是0x20007000地址處，在SRAM中

    /* Initialize the stack pointer */
    ldr     r0,=__StackTop
    mov     r13,r0

/* S32K144_64_flash.ld */


/* Specify the memory areas */
MEMORY
{
  /* Flash */
  m_interrupts          (RX)  : ORIGIN = 0x00005000, LENGTH = 0x00000400
  m_flash_config        (RX)  : ORIGIN = 0x00005400, LENGTH = 0x00000010
  m_text                (RX)  : ORIGIN = 0x00005410, LENGTH = 0x0007FBF0


  /* SRAM_L */
  m_data                (RW)  : ORIGIN = 0x1FFF8000, LENGTH = 0x00008000


  /* SRAM_U */
  m_data_2              (RW)  : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 0x00007000
}


//...


/* Initializes stack on the end of block */
  __StackTop   = ORIGIN(m_data_2) + LENGTH(m_data_2);
  __StackLimit = __StackTop - STACK_SIZE;
  PROVIDE(__stack = __StackTop);

4.5 系統初始化

在完成了以上堆棧初始化之后， CPU 就可以運行 C 代碼了，所以此時通過調用定義在工程 SDK->platform->device->S32K144->startup 目錄下的 system_S32K144.c 中的系統初始化函數--SystemInit():根據工程配置完成：1）CPU 內核 FPU 配置和使能(如果創建應用工程時選擇浮點數運算使用硬件 FPU)

2）關閉看門狗(默認配置)

3）使能 CPU 內核指令緩沖(I-Cache)等 MCU 硬件平臺配置。

#ifndef __NO_SYSTEM_INIT
    /* Call the system init routine */
    ldr     r0,=SystemInit
    blx     r0
#endif

我們么有選擇使用FPU和CPU內核指令緩沖，所以主要介紹關閉看門狗操作：

4.5.1 配置CNT（Watchdog Counter Register）寄存器

往看門狗模塊的CNT（Watchdog Counter Register）寄存器寫入0xD928C520（FEATURE_WDOG_UNLOCK_VALUE）。為什么要寫入這個值？

查看S32芯片手冊：

Unlock sequence of writing 0xC520 and then 0xD928 for allowing updates towrite-once configuration bits.

意思就是看門狗的默認配置是lock的，如果要改變看門狗的配置首先需要解鎖：往CNT寄存器中寫入

0xD928C520，然后再通過CS（Watchdog Control and Status Register）來配置看門狗模塊。

4.5.2 配置CS（Watchdog Control and Status Register）

主要配置CS寄存器的四個功能

4.5.3 配置看門狗TOVAL寄存器

TOVAL是一個16位的超時寄存器（65535），也就是說是timeout為65535個時鐘周期，到點沒有喂狗則產生看門狗復位。

/* system_S32K144.c */


/*FUNCTION**********************************************************************
 *
 * Function Name : SystemInit
 * Description   : This function disables the watchdog, enables FPU
 * and the power mode protection if the corresponding feature macro
 * is enabled. SystemInit is called from startup_device file.
 *
 * Implements    : SystemInit_Activity
 *END**************************************************************************/
void SystemInit(void)
{
/**************************************************************************/
                      /* FPU ENABLE*/
/**************************************************************************/
#ifdef ENABLE_FPU
  /* Enable CP10 and CP11 coprocessors */
  S32_SCB->CPACR |= (S32_SCB_CPACR_CP10_MASK | S32_SCB_CPACR_CP11_MASK);
#ifdef  ERRATA_E6940
  /* Disable lazy context save of floating point state by clearing LSPEN bit
   * Workaround for errata e6940 */
  S32_SCB->FPCCR &= ~(S32_SCB_FPCCR_LSPEN_MASK);
#endif
#endif /* ENABLE_FPU */


/**************************************************************************/
                      /* WDOG DISABLE*/
/**************************************************************************/


#if (DISABLE_WDOG)
  /* Write of the WDOG unlock key to CNT register, must be done in order to allow any modifications*/
  WDOG->CNT = (uint32_t ) FEATURE_WDOG_UNLOCK_VALUE;
  /* The dummy read is used in order to make sure that the WDOG registers will be configured only
   * after the write of the unlock value was completed. */
  (void)WDOG->CNT;


  /* Initial write of WDOG configuration register:
   * enables support for 32-bit refresh/unlock command write words,
   * clock select from LPO, update enable, watchdog disabled */
  WDOG->CS  = (uint32_t ) ( (1UL << WDOG_CS_CMD32EN_SHIFT)                       |
                            (FEATURE_WDOG_CLK_FROM_LPO << WDOG_CS_CLK_SHIFT) |
                            (0U << WDOG_CS_EN_SHIFT)                             |
                            (1U << WDOG_CS_UPDATE_SHIFT)                         );


  /* Configure timeout */
  WDOG->TOVAL = (uint32_t )0xFFFF;
#endif /* (DISABLE_WDOG) */


/**************************************************************************/
                      /* Power mode protection */
/**************************************************************************/
#ifdef SYSTEM_SMC_PMPROT_VALUE
  /* Power mode protection initialization */
  SMC->PMPROT = SYSTEM_SMC_PMPROT_VALUE;
#endif
}

4.6 RAM初始化

接下來，啟動文件會調用定義在 SDK->platform->devices 目錄下 startup.c 中的init_data_bss()函數完成應用工程運行所需的 RAM 初始化。

    /* Init .data and .bss sections */
    ldr     r0,=init_data_bss
    blx     r0

在 startup.c 中通過申明外部變量(extern)的方式，可以引用定義在工程鏈接文件中的__DATA_ROM、__DATA_RAM、__DATA_END、__CODE_RAM、__CODE_ROM、__CODE_END、__BSS_START 和__BSS_END 符號，獲得工程鏈接結果中.data 段(有初始化值)、 .bss 段(未初始化和初始化值為 0)的全局變量以及重定向到 RAM 中運行的.code 段代碼/函數在 Flash 和RAM 中的起始地址和長度(結束地址-開始地址)。

然后再通過數據指針的方式實現全局變量初始化值和重映射代碼從 Flash 到 RAM 中的拷貝以及.bss 段的清零：具體包括：

1）初始化.data 段

2）初始化.code 段

3）初始化.bss 段

4）將中斷向量表從 Flash 拷貝到 RAM 中并

5）初始化 CPU 系統中斷向量偏移地址，使其指向 RAM 中新的中斷向量表(如果編譯目標為 debug，編譯結果存儲在 Flash 中)。

note 1: .code段不是代碼段，.code段屬于m_data域（RAM）用來存放重映射到RAM中的代碼。

note 2: .text段才是代碼段，.text段屬于m_text域（ROM），存放的就是代碼。

note 3: 為什么要將.data .bss 中斷向量表拷貝到m_data域（RAM），因為.data中保存的是初始化過后的全局變量/靜態局部變量.bss段中保存的是未初始化（初始化為0）的全局變量/靜態局部變量，在系統運行的時候是需要改變的，而ROM是只讀的，中斷向量表同理。

note 4: 代碼是不需要改變的，為什么也有部分的代碼需要重映射到RAM中執行？-- 因為效率，因為相對于ROM來說，RAM的數據寬度較大，速度較快。

note 5: 怎么將代碼重映射到RAM中？

通過上面的分析可知，在 S32K1xx 系列 MCU 的啟動過程，會自動將定義在.code 段中的代碼/函數從其 Flash 儲存地址拷貝到 RAM 中的運行時地址。

只有將用戶代碼分配到 Flash 中的編譯目標，即使用 S32K1xx_xx_flash.ld 鏈接文件的編譯目標才存在代碼重映射。若是將應用工程編譯結果代碼分配到 RAM 的編譯目標（使用 S32K1xx_xx_ram.ld 鏈接文件），其編譯的函數/代碼本身就是儲存在 RAM 中的，所以無需重映射。

將 想 要 重 映 射 的 代 碼 / 函 數 通 過 __attribute__((section(".code_ram")))指定到.code_ram 段由于在應用工程鏈接文件中已經將用戶段.code_ram 放置在了.code 段中，所以，我們只需要在 C 代碼中，將想要重映射的代碼/函數通過__attribute__ ((section(".code_ram")))指定到.code_ram 段即可。比如下面就是將 main()函數指定到.code_ram 段的具體實現：int __attribute__ ((section(".code_ram"))) main(void)。

在 S32DS IDE 應用工程中，一個函數若沒有特別指定，其將分配到.text 代碼段。

需要注意是關鍵詞-- __attribute__ ((section(".code_ram"))) 添加的位置，每個需要指定的函數都要添加這個關鍵詞，因此，可以將其定義為一個宏比如 CODE_RAM 使用：#define CODE_RAM __attribute__ ((section(".code_ram")))然后，再將 CODE_RAM 放在定義的函數名前即可。

/*startup.c*/
void init_data_bss(void)
{
    uint32_t n;
    /* Declare pointers for various data sections. These pointers
     * are initialized using values pulled in from the linker file */
    uint8_t * data_ram;
    uint8_t * code_ram;
    uint8_t * bss_start;
    const uint8_t * data_rom, * data_rom_end;
    const uint8_t * code_rom, * code_rom_end;
    const uint8_t * bss_end;


    /* Addresses for VECTOR_TABLE and VECTOR_RAM come from the linker file */
    extern uint32_t __RAM_VECTOR_TABLE_SIZE[];
    extern uint32_t __VECTOR_TABLE[];
    extern uint32_t __VECTOR_RAM[];


    /* Get section information from linker files */
#if defined(__ICCARM__)
    /* Data */
    data_ram        = __section_begin(".data");
    data_rom        = __section_begin(".data_init");
    data_rom_end    = __section_end(".data_init");


    /* CODE RAM */
    #pragma section = "__CODE_ROM"
    #pragma section = "__CODE_RAM"
    code_ram        = __section_begin("__CODE_RAM");
    code_rom        = __section_begin("__CODE_ROM");
    code_rom_end    = __section_end("__CODE_ROM");


    /* BSS */
    bss_start       = __section_begin(".bss");
    bss_end         = __section_end(".bss");
#else
    extern uint32_t __DATA_ROM[];
    extern uint32_t __DATA_RAM[];
    extern uint32_t __DATA_END[];


    extern uint32_t __CODE_RAM[];
    extern uint32_t __CODE_ROM[];
    extern uint32_t __CODE_END[];


    extern uint32_t __BSS_START[];
    extern uint32_t __BSS_END[];


    /* Data */
    data_ram        = (uint8_t *)__DATA_RAM;
    data_rom        = (uint8_t *)__DATA_ROM;
    data_rom_end    = (uint8_t *)__DATA_END;
    /* CODE RAM */
    code_ram        = (uint8_t *)__CODE_RAM;
    code_rom        = (uint8_t *)__CODE_ROM;
    code_rom_end    = (uint8_t *)__CODE_END;
    /* BSS */
    bss_start       = (uint8_t *)__BSS_START;
    bss_end         = (uint8_t *)__BSS_END;
#endif


    /* Check if VECTOR_TABLE copy is needed */
    if (__VECTOR_RAM != __VECTOR_TABLE)
    {
        /* Copy the vector table from ROM to RAM */
        for (n = 0; n < (((uint32_t)__RAM_VECTOR_TABLE_SIZE)/sizeof(uint32_t)); n++)
        {
            __VECTOR_RAM[n] = __VECTOR_TABLE[n];
        }
        /* Point the VTOR to the position of vector table */
        S32_SCB->VTOR = (uint32_t)__VECTOR_RAM;
    }
    else
    {
        /* Point the VTOR to the position of vector table */
        S32_SCB->VTOR = (uint32_t)__VECTOR_TABLE;
    }


    /* Copy initialized data from ROM to RAM */
    while (data_rom_end != data_rom)
    {
        *data_ram = *data_rom;
        data_ram++;
        data_rom++;
    }


    /* Copy functions from ROM to RAM */
    while (code_rom_end != code_rom)
    {
        *code_ram = *code_rom;
        code_ram++;
        code_rom++;
    }


    /* Clear the zero-initialized data section */
    while(bss_end != bss_start)
    {
        *bss_start = 0;
        bss_start++;
    }
}

4.7 打開CPU全局中斷

在完成 RAM 初始化和中斷向量表初始化后，就可以打開 CPU 全局中斷，響應外設中斷了；打開 ARM Cortex M 系列 CPU 內核的全局中斷通過匯編語句--“cpsie i”完成。

    cpsie   i               /* Unmask interrupts */

4.8跳轉到應用程序 main()函數在完成以上準備工作之后，啟動過程的最后一步是跳轉到應用程序main()函數.

    bl      main

5. 相關應用

從bootloader跳轉到application的時候，要設置應用中R13寄存器中的堆棧地址，然后直接跳轉到app中的Reset_Handler執行：bootup_application(0x5000, 0x5004)

同時需要修改app程序中鏈接器腳本中的連接地址

MEMORY
{
  /* Flash */
  m_interrupts          (RX)  : ORIGIN = 0x00005000, LENGTH = 0x00000400
  m_flash_config        (RX)  : ORIGIN = 0x00005400, LENGTH = 0x00000010
  m_text                (RX)  : ORIGIN = 0x00005410, LENGTH = 0x0007FBF0


  /* SRAM_L */
  m_data                (RW)  : ORIGIN = 0x1FFF8000, LENGTH = 0x00008000


  /* SRAM_U */
  m_data_2              (RW)  : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 0x00007000
}

void bootup_application(uint32_t appEntry, uint32_t appStack)
{
    static void (*jump_to_application)(void);
    static uint32_t stack_pointer;


    //shutdown_drivers();


    jump_to_application = (void (*)(void))appEntry;
    stack_pointer = appStack;
    S32_SCB->VTOR = APP_IMAGE_START;
    //__set_MSP(stack_pointer);
    __asm volatile ("MSR msp, %0
" : : "r" (stack_pointer) : "sp");
    //__set_PSP(stack_pointer);
    __asm volatile ("MSR psp, %0
" : : "r" (stack_pointer) : "sp");
    jump_to_application();
}

審核編輯：劉清