上電之后（bootload階段）該做什么

1怠缸、第一行程序

拿到空PCB板之后睁蕾，硬件工程師首先會(huì)測(cè)試各主要線路是否通連秕狰，各焊點(diǎn)是否有空焊帘皿、斷接或短路的情況东跪，然后逐個(gè)模塊焊接上去。之后需要驗(yàn)證系統(tǒng)上電之后鹰溜，CPU與各組件的供電電壓是否正常虽填，供給CPU的震蕩電路能否能夠正常起振，外部存儲(chǔ)器能否正常讀寫曹动。當(dāng)把我們的程序用JTAG工具下載到板子上后斋日，在真正調(diào)試系統(tǒng)前需要做好以下檢查：

• 利用調(diào)試工具，在程序的第一行設(shè)定斷點(diǎn)墓陈，確定程序有停下來(lái)恶守；
• 檢查CPU的程序計(jì)數(shù)器PC是否正確；
• 檢查CPU內(nèi)部RAM的內(nèi)容和我們下載的可執(zhí)行文件是否相同贡必；
• 程序的第一行命令為設(shè)定CPU狀態(tài)寄存器兔港，并觀察CPU的狀態(tài)寄存器是否如預(yù)期改變；
• 繼續(xù)單步執(zhí)行仔拟，確認(rèn)PC寄存器是否會(huì)跟著改變衫樊，且每行命令的執(zhí)行結(jié)果都是正確的。

檢查完以上各項(xiàng)后利花，只能證明板子上的電源電路以及CPU是正常的橡伞，接下來(lái)要繼續(xù)驗(yàn)證CPU與外圍設(shè)備盒揉，確認(rèn)板子的正確性與穩(wěn)定性后，才能進(jìn)行下一步測(cè)試兑徘。

2刚盈、基本硬件測(cè)試

既然Boot-Loader的責(zé)任是幫其它程序布置可運(yùn)行的環(huán)境，那么就要做好以下驗(yàn)證：

• CPU寄存器（狀態(tài)寄存器挂脑、通用寄存器藕漱、內(nèi)存映射寄存器）操作測(cè)試；

// 設(shè)定SP（Stack Point）寄存器
//
asm("xld.w  %r15, 0x2000");
asm("ld.w %sp, %r15");

// 設(shè)定CPU的狀態(tài)寄存器
//
asm("xld.w  %r15, 0x200010");
asm("ld.w   %psr, %r15");

// 將寄存器0x300023的bit 1設(shè)為1
*(volatile unsigned char *)0x300023 |= 0x2;

• Stack Pointer的設(shè)置是否正確崭闲？函數(shù)調(diào)用是否正確運(yùn)行肋联？
• 中斷是量表設(shè)置是否正確？中斷矢量程序是否正常運(yùn)行?
• 存儲(chǔ)器初始化及其操作測(cè)試刁俭，保證所有的存儲(chǔ)器都可以正常讀寫橄仍；
• 將數(shù)據(jù)段載入RAM，對(duì)bss段設(shè)定初值牍戚，并將需要在RAM中運(yùn)行的程序載入到RAM侮繁。保證當(dāng)主程序執(zhí)行起來(lái)后，全局變量的初始值都是正確的如孝。

只有確保以上測(cè)試通過(guò)后才能進(jìn)行下一步工作宪哩。

（1）確認(rèn)函數(shù)調(diào)用能否正常運(yùn)行

正確設(shè)置堆棧（Stack）是函數(shù)能否成功調(diào)用的前提，在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)第晰，系統(tǒng)要自行管理堆棧锁孟，如果管理不當(dāng)，可能會(huì)發(fā)生函數(shù)調(diào)用或調(diào)用幾層之后就死機(jī)的狀況茁瘦。因?yàn)镃語(yǔ)言利用堆棧完成以下事項(xiàng)：

• 存儲(chǔ)函數(shù)返回地址品抽；
• 函數(shù)調(diào)用時(shí)的參數(shù)傳遞（參數(shù)較多時(shí)）；
• 存儲(chǔ)函數(shù)內(nèi)部的局部變量甜熔；
• 中斷服務(wù)程序執(zhí)行時(shí)（發(fā)生中斷時(shí)）圆恤，存儲(chǔ)CPU當(dāng)前狀態(tài)及返回地址。

堆棧頂點(diǎn)地址（Stack Point）的配置是一件很重要的事纺非，但卻極易被人忽略哑了。主要是在Windows或Linux上編程時(shí)，操作系統(tǒng)在產(chǎn)生可執(zhí)行文件時(shí)烧颖，linker會(huì)自動(dòng)幫程序加上一段Startup Code弱左，其中就包含了Stack存儲(chǔ)器的配置。但在無(wú)操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)中炕淮，調(diào)用任何函數(shù)之前都要先為其設(shè)置好堆棽鸹穑空間（Stack Point）。

當(dāng)用C語(yǔ)言調(diào)用了一個(gè)函數(shù)，例如fun(a,b)们镜，編譯后的機(jī)器碼應(yīng)該包含以下動(dòng)作：

• 執(zhí)行指令push彻坛，將參數(shù)a和b存入Stack兑燥，同時(shí)堆棧指針SP減一足陨；
• 將當(dāng)前程序計(jì)數(shù)寄存器PC的值（也即返回地址：函數(shù)調(diào)用指令的下一條指令地址）存到堆棧中叫乌；
• 執(zhí)行指令Call，把PC的值設(shè)為函數(shù)fun（）的地址嚼鹉，下一個(gè)被執(zhí)行的指令就是函數(shù)的第一條命令贩汉。
• 當(dāng)函數(shù)fun執(zhí)行時(shí)，可利用當(dāng)前SP的值計(jì)算出參數(shù)a和b的地址锚赤；
• 如果函數(shù)內(nèi)部有局部變量匹舞，則依次將這些變量存到堆棧中。所以在嵌入式開(kāi)發(fā)中盡量不要定義size太大的變量线脚，否則有棧溢出（Stack Overflow）的風(fēng)險(xiǎn)赐稽。
• 當(dāng)函數(shù)執(zhí)行完畢，CPU會(huì)執(zhí)行ret命令浑侥，該命令會(huì)從Stack頂層取出返回地址姊舵，然后賦值給PC寄存器，則下個(gè)指令就會(huì)執(zhí)行函數(shù)后面的下一行指令锭吨，從而完成函數(shù)的調(diào)用蠢莺。

如果SP寄存器沒(méi)有設(shè)定到正確的地址寒匙，或是沒(méi)有配置足夠大的存儲(chǔ)區(qū)域作為椓闳纾空間，那么在調(diào)用函數(shù)時(shí)很可能就會(huì)出錯(cuò)锄弱。下圖就是一個(gè)椏祭伲空間溢出，破壞程序數(shù)據(jù)段的例子：

局部變量太大導(dǎo)致Stack Overflow

為避免以上情況的發(fā)生会宪，一般會(huì)選擇某塊RAM 的頂端（最大地址）當(dāng)作SP寄存器的初值肖卧，但具體棧的大小定位多少合適要根據(jù)具體軟硬件環(huán)境和項(xiàng)目要求。一般采用的方法是掸鹅，剛開(kāi)始稍微定義大一點(diǎn)塞帐，例如2KB-4KB左右，然后讓測(cè)試人員運(yùn)行完系統(tǒng)所有功能（函數(shù)）后巍沙，記錄下SP在每次函數(shù)調(diào)用后的最小值葵姥，它與棧頂?shù)刂返牟罹褪撬枳钚？臻g句携，一般會(huì)稍微再放一點(diǎn)榔幸。

（2）確認(rèn)中斷系統(tǒng)能否正常運(yùn)行

負(fù)責(zé)寫驅(qū)動(dòng)程序的工程師要將中斷服務(wù)程序的地址填入中斷矢量表，并必須保證當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序被執(zhí)行時(shí)，中斷系統(tǒng)是正常的削咆。一般來(lái)說(shuō)主要做好以下工作：

• 中斷矢量表數(shù)組牍疏，詳細(xì)注解每個(gè)entry代表的中斷源；
• 如果是外接中斷控制器拨齐，要先完成中斷控制器的驅(qū)動(dòng)程序鳞陨，才能開(kāi)始中斷系統(tǒng)的測(cè)試。
• 設(shè)定CPU的中斷矢量表地址寄存器（有些CPU無(wú)中斷矢量表地址寄存器瞻惋，但它會(huì)指定某個(gè)固定地址為中斷矢量表的地址）
• 設(shè)定CPU的中斷控制寄存器（優(yōu)先級(jí)炊邦、中斷允許位等）
• 確定中斷被觸發(fā)后，對(duì)應(yīng)的ISR會(huì)被執(zhí)行熟史。
• 提供ISR的范例馁害，讓ISR編寫者不用知道中斷系統(tǒng)的細(xì)節(jié)。

// ISR模板
//
void isr_template(void)
{
    // 將所有通用目的寄存器存到堆棧
    //
    asm("pushn %r15"); /*將r0 - r15 都存到堆棧中 */
    
    //將ALR與AHR寄存器通過(guò)r1存到堆棧
    //你無(wú)需搞清ALR和AHR是什么寄存器蹂匹，不同的CPU有不同的寄存器需要存儲(chǔ)
    //
    asm("ld.w   %r1, %alr");
    asm("ld.w   %r0, %ahr");
    asm("pushn  %r1");
    
    //調(diào)用C語(yǔ)言函數(shù)your_ISR碘菜，即真正ISR要處理的事寫在該函數(shù)里就行
    //
    asm("xcall your_ISR");
    
    //從堆棧中取回被調(diào)用時(shí)的ALR和AHR寄存器的值
    //
    asm("popn   %r1");
    asm("ld.w   %alr, %r1");
    asm("ld.w   %ahr, %r0");
    
    //從堆棧中取回r1 - r15的值
    //
    asm("popn   %r15");
    
    //執(zhí)行中斷返回指令，返回被中斷的程序
    //
    asm("reti");
}

在以上各環(huán)節(jié)中容易出錯(cuò)的地方有：

• 中斷優(yōu)先級(jí)寄存器沒(méi)設(shè)正確限寞；
• 中斷矢量表中各個(gè)entry與中斷源的對(duì)應(yīng)關(guān)系錯(cuò)誤忍啸；
• 中斷矢量表地址設(shè)置錯(cuò)誤，很多CPU會(huì)要求中斷矢量表的地址要設(shè)置在偶數(shù)地址或是4的倍數(shù)履植，甚至是128KB的倍數(shù)计雌。

那如何判斷ISR有沒(méi)有被正確執(zhí)行呢？一般的方法是選擇一個(gè)簡(jiǎn)單的中斷源（例如除0錯(cuò)誤中斷）玫霎，在其ISR中設(shè)定一個(gè)斷點(diǎn)凿滤，然后單步執(zhí)行，看能否順利執(zhí)行ISR程序及正確返回中斷發(fā)生的地方（除零指令的下一條語(yǔ)句）庶近。

（3）存儲(chǔ)器測(cè)試

存儲(chǔ)器出問(wèn)題的地方有：

• 硬件方面：數(shù)據(jù)線翁脆、地址線連接錯(cuò)誤；

• 軟件方面：SRAM鼻种、NOR Flash反番、ROM不需要額外電路，直接可以使用叉钥，但SDRAM則還需要額外的SDRAM Controler電路才能使用罢缸，程序必須先設(shè)定好SDRAM Controler的配置（SDRAM大小、速度等）投队；

• 外部存儲(chǔ)器的時(shí)序設(shè)置枫疆，若時(shí)序設(shè)定太快，系統(tǒng)會(huì)不穩(wěn)定蛾洛，太慢养铸，則系統(tǒng)性能變差雁芙。一般CPU的Timing設(shè)定表會(huì)說(shuō)明應(yīng)該如何設(shè)定。

• 在進(jìn)行下部工作前要先測(cè)試存儲(chǔ)器的每一個(gè)Byte钞螟，確保讀寫（如果可以寫入的話）正常兔甘。方法是對(duì)每一個(gè)字節(jié)依次寫入0x00、0xFF鳞滨、0x55洞焙、0xAA，確保每一位都會(huì)被寫入0與1拯啦。

• int SRAM_testing(void)
  {
      int i,counter =0;
      //待測(cè)RAM起始地址為0x2000000,大小為2MB.
      unsigned char *pointer = (unsigned char *)0x2000000;
      unsigned char data[4]={0x00,0xFF,0x55,0xAA};
      
      for(i=0; i<4; i++)
      {    // 逐一對(duì)每個(gè)字節(jié)寫入某特殊值
          for(j=0; j<(8*1024*1024); j++)
              pointer[i] = data[i] 
           // 逐一讀出每個(gè)字節(jié)澡匪，判斷寫入的值是否正確      
          for(j=0; j<(8*1024*1024); j++)
              pointer[i]==data[i]?::counter++;
      }      
      return counter; //返回出錯(cuò)字節(jié)的個(gè)數(shù)  
  }
  

• 對(duì)于只讀ROM，如何驗(yàn)證燒錄到存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)和原始映像文件一致呢褒链？一般會(huì)采用校驗(yàn)和檢驗(yàn)法唁情。即分別計(jì)算原始映像文件和燒錄到ROM中文件的校驗(yàn)和是否相等。

• /***************************************************************
  Function Name: calculate_ROM_checksum
  Function Purpuse：計(jì)算起始地址為0x2000000甫匹，size為8MB存儲(chǔ)器的校驗(yàn)和
  ****************************************************************/
  unsigned long calculate_ROM_checksum(void)
  {
      unsigned long checksum = 0;
      unsigned char *pointer = 0x2000000;
      for(i=0; i<(8*1024*1024); i++)
          checksum += pointer[i];
      return checksum;
  }
  

（4）CPU初始化

在Boot-Loader階段因該做好以下CPU相關(guān)的設(shè)定：

• 設(shè)定堆棧指針寄存器SP甸鸟；
• 設(shè)定狀態(tài)寄存器，禁止中斷兵迅；
• 設(shè)定中斷矢量表指針抢韭；
• 設(shè)定CPU執(zhí)行狀態(tài)（時(shí)鐘時(shí)序）；
• 設(shè)定存儲(chǔ)器控制器（如果用到了類似SDRAM的存儲(chǔ)器）恍箭；
• 設(shè)定CPU操作各存儲(chǔ)器的時(shí)序刻恭；
• 設(shè)定CPU的PIN腳功能；
• 初始化外圍設(shè)備（LCD Controler扯夭、USB Controler鳍贾、SD卡接口等）

3、載入程序段與數(shù)據(jù)初始化

（1）載入data段

有初值的全局變量必須被存儲(chǔ)在可執(zhí)行文件中勉抓、被燒錄到ROM里贾漏。但執(zhí)行時(shí)因?yàn)檫@些全局變量的值會(huì)被改變候学，所以當(dāng)然不能在ROM里運(yùn)行藕筋，連接時(shí)必須尋址到RAM中。正因?yàn)檫@種 “存儲(chǔ)在ROM梳码，運(yùn)行在RAM” 的特性隐圾，才有傳輸data段的需要，且必須在所有程序使用全局變量前完成這些事掰茶。

執(zhí)行時(shí)期的存儲(chǔ)器使用狀況

上圖中暇藏，data段的內(nèi)容原本在可執(zhí)行文件中的rodata段之后，但執(zhí)行時(shí)濒蒋，需要將data段復(fù)制到RAM中的bss段之后盐碱。連接腳本如下：

.data __END_bss : AT(__END_rodata)
{
    __START_data = .;
    *(.data);
    __END_data = .;
    
    // 定義可在程序中使用的變量“__START_data_LMA”,表示data段的存儲(chǔ)起始地址LMA
    __START_data_LMA = LOADADDR(.data);
    
    //定義可在程序中使用的變量“__SIZE_DATA”,表示data段的大小
    __SIZE_DATA = __END_data - __START_data;
}

傳輸程序如下：

/**************************************************
Function Name: copy_data_section()
Function Purpuse：將可執(zhí)行文件中的數(shù)據(jù)段復(fù)制到內(nèi)存中
***************************************************/
extern unsigned long *__START_data;
extern unsigned long *__START_data_LMA;
extern int __SIZE_DATA;

void copy_data_section(void)
{
   int i;
   unsigned long *dest = __START_data;
   unsigned long *src = __START_data_LMA;
   //假設(shè)data段的大小是4的整數(shù)倍個(gè)字節(jié)
   for(i=0; i<(__SIZE_DATA/4); i++)
       dest[i] = src[i];    
}

（2）設(shè)定bss段

bss段的設(shè)定較為簡(jiǎn)單把兔，因?yàn)閎ss段里的成員都是沒(méi)有初始值的全局變量，所有根本不需要存儲(chǔ)空間瓮顽，在執(zhí)行時(shí)只要把bss段的執(zhí)行空間（VMA）都設(shè)為0即可县好。

/*******************************************
定義bss段，起始地址（VMA）從0開(kāi)始
******************************************/
.bss 0x0 : 
{
    __START_bss = .;
    *(.bss);
    __END_bss = .;
    
    //定義可在程序中使用的變量：__SIZE_BSS
    __SIZE_BSS = __END_bss - __START_bss;
}

設(shè)定bss段為0的代碼如下：

/**************************************************
Function Name: clear_bss_section()
Function Purpuse：將bss段清零
***************************************************/
extern unsigned long * __START_bss;
extern int __START_BSS;

void clear_bss_section(void)
{
    int i;
    unsigned long * dest = __START_bss;
    //假設(shè)bss段的大小為4的整數(shù)倍字節(jié)大小
    for(i=0; i<(__SIZE_BSS/4); i++)
        dest[i] = 0;
}

Attention：在boot階段暖混，data段和bss段一定要先設(shè)定缕贡，否則執(zhí)行期間全局變量的值就不正確。換句話說(shuō)拣播，在設(shè)定完data和bss段之前晾咪，boot-load程序是不能使用全局變量的，如果一定要使用贮配，那就避免在定義全局變量時(shí)賦值谍倦，一定要在程序內(nèi)明確賦值才行。例如：

<img src="https://cdn.jsdelivr.net/gh/Leon1023/leon_pics/img/20201125224022.png" alt="Boot-Loader程序使用全局變量時(shí)必須謹(jǐn)慎" style="zoom:80%;" />

（3）載入text段

當(dāng)某個(gè)系統(tǒng)程序或者應(yīng)用程序模塊需要較高的執(zhí)行速度時(shí)泪勒，往往可以將他們復(fù)制到系統(tǒng)內(nèi)存中執(zhí)行剂跟。但系統(tǒng)內(nèi)存往往空間有限，不可能同時(shí)全部加載進(jìn)去酣藻。所以我們一般會(huì)寫一個(gè)函數(shù)曹洽，并尋址到同一個(gè)地址，在需要時(shí)才做載入的動(dòng)作辽剧。

各種類型的存儲(chǔ)器性能由大至小分別為：CPU寄存器送淆、CPU cache、CPU內(nèi)部RAM怕轿、外部SRAM偷崩、NOR Flash、SDRAM撞羽、Mask ROM阐斜、NAND Flash。

NAND Flash：價(jià)格低诀紊，容量大谒出，可把其想象成類似硬盤的設(shè)備，只不過(guò)無(wú)法直接尋址操作邻奠，程序無(wú)法再上面直接執(zhí)行笤喳；

NOR Flash：價(jià)格高，容量小碌宴，但讀數(shù)據(jù)快杀狡，可把其想象成可重復(fù)寫的ROM，程序可在上面直接運(yùn)行贰镣。

Mask ROM：成本高呜象，容量有限膳凝，但程序可直接在上面運(yùn)行；

SDRAM：性價(jià)比高恭陡，一般作為系統(tǒng)的外置內(nèi)存鸠项，程序可直接在上面運(yùn)行；

SRAM：價(jià)格昂貴子姜，容量小祟绊，一般作為系統(tǒng)的內(nèi)置內(nèi)存，程序可在上面直接運(yùn)行哥捕。

（4）幾種系統(tǒng)存儲(chǔ)器架構(gòu)

• 從NAND Flash啟動(dòng)的架構(gòu)：

• image-20201125230828425

• 啟動(dòng)流程為：

  • 上電后牧抽，CPU內(nèi)置程序會(huì)從NAND Flash的特定地址（一般是第一個(gè)block塊地址）讀出Boot-Loader程序到CPU的內(nèi)部?jī)?nèi)存中。
  • CPU將控制權(quán)交給內(nèi)部存儲(chǔ)器中的Boot-Loader遥赚；
  • Boot-Loader初始化SDRAM扬舒，再?gòu)腘AND Flash中將主程序載入到SDRAM中；
  • Boot-Loader將控制權(quán)交給主程序凫佛。

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