ARM裸机程序之存储管理器控制SDRAM
2017-11-22 17:05
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http://blog.csdn.net/u011449588/article/details/45021409
本文讲的是s3c2440A芯片的存储管理器，配套的开发板是友善之臂mini2440，首先贴出代码
head.s的代码：
[cpp] view
plain copy
.equ MEM_CTL_BASE, 0x48000000 @定义13个寄存器的首地址
.equ SDRAM_BASE, 0x30000000 @定义SDRAM的首地址
.text
.global _start
_start:
bl disable_watch_dog
bl memsetup
bl copy_steppingstone_to_sdram @把代码从片内的SRAM复制到SDRAM里面
ldr pc, =on_sdram
on_sdram:
ldr sp, =0x34000000 @设置栈指针，用来调用C函数
bl main
halt_loop:
b halt_loop
disable_watch_dog:
ldr r0, =0x53000000
mov r1, #0x0
str r1, [r0]
mov pc, r14
copy_steppingstone_to_sdram:
mov r0, #0x0
mov r1, #SDRAM_BASE
mov r2, #4096
Loop: @用一个循环，从片内SRAM的0地址开始复制到SDRAM的0x30000000处
ldr r3, [r0], #4
str r3, [r1], #4
cmp r0, r2
bcc Loop
mov pc, r14
memsetup: @设置存储管理器相关的13个寄存器
mov r0, #MEM_CTL_BASE
ldr r1, =0x22011110 @BWSCON
str r1, [r0], #4 @把r1寄存器里面的值放到r0所指的内存单元中，然后r0=r0+4
ldr r1, =0x00000700
str r1, [r0], #4 @BANKCON0
str r1, [r0], #4 @BANKCON1
str r1, [r0], #4 @BANKCON2
str r1, [r0], #4 @BANKCON3
str r1, [r0], #4 @BANKCON4
str r1, [r0], #4 @BANKCON5
ldr r1, =0x00018005
str r1, [r0], #4 @BANKCON6
str r1, [r0], #4 @BANKCON7
ldr r1, =0x008c07a3
str r1, [r0], #4 @REFRESH
ldr r1, =0x000000b1
str r1, [r0], #4 @BANKSIZE
ldr r1, =0x00000030
str r1, [r0], #4 @MRSRB6
str r1, [r0] @MRSRB7
mov pc, r14
led_key.c的代码：
[cpp] view
plain copy
#define GPBCON (*(volatile unsigned long *)0x56000010)
#define GPBDAT (*(volatile unsigned long *)0x56000014)
#define GPBUP (*(volatile unsigned long *)0x56000018)
#define GPGCON (*(volatile unsigned long *)0x56000060)
#define GPGDAT (*(volatile unsigned long *)0x56000064)
#define GPB5_out (1<<(5*2))
#define GPB6_out (1<<(6*2))
#define GPB7_out (1<<(7*2))
#define GPB8_out (1<<(8*2))
#define GPB0_out (1<<(0*2))
#define GPG0_in ~(3<<(0*2))
#define GPG3_in ~(3<<(3*2))
#define GPG5_in ~(3<<(5*2))
#define GPG6_in ~(3<<(6*2))
#define GPG7_in ~(3<<(7*2))
#define GPG11_in ~(3<<(11*2))
int main()
{
unsigned long read_value;
GPBCON |= (GPB5_out | GPB6_out | GPB7_out | GPB8_out | GPB0_out);
GPBUP &= 0x1e1;
GPBDAT |= 0x1e0;
GPGCON &= (GPG0_in & GPG3_in & GPG5_in & GPG6_in & GPG7_in );
while(1)
{
read_value = GPGDAT;
if(read_value & (1<<0))
{
GPBDAT |= (1<<5);
}
else
{
GPBDAT &= (~(1<<5));
}
if(read_value & (1<<3))
{
GPBDAT |= (1<<6);
}
else
{
GPBDAT &= (~(1<<6));
}
if(read_value & (1<<5))
{
GPBDAT |= (1<<7);
}
else
{
GPBDAT &= (~(1<<7));
}
if(read_value & (1<<6))
{
GPBDAT |= (1<<8);
}
else
{
GPBDAT &= (~(1<<8));
}
if(read_value & (1<<7))
{
GPBDAT &= (~(1<<0));
}
else
{
GPBDAT |= (1<<0);
}
}
return 0;
}
Makefile：
[cpp] view
plain copy
sdrampp1.bin : head.s led_key.c
arm-linux-gcc -g -c -o head.o head.s
arm-linux-gcc -g -c -o led_key.o led_key.c
arm-linux-ld -Ttext 0x30000000 -g head.o led_key.o -o sdrampp1_elf
arm-linux-objcopy -O binary -S sdrampp1_elf sdrampp1.bin
arm-linux-objdump -D -m arm sdrampp1_elf > sdrampp1.dis
clean:
rm -rf sdrampp1.* *.o
首先说明本程序主要实现的功能：本程序最终为了生成一个sdrampp1.bin的可执行文件下载到开发板的NandFlash的0地址处，一旦下载进去，s3c2440A这块芯片就会自动地把NandFlash的前4K代码复制到片内的steppingstone，也就是片内的SRAM里，如果不加处理，一般的程序就从SRAM的0地址处开始运行了，例如上一篇博客“arm裸机程序之LED灯”就是从SRAM的0地址处开始运行的，而本程序并非从SRAM的0地址开始执行，而是把片内的SRAM的4K代码复制到SDRAM的0地址处，最后从SDRAM的0地址处开始执行，所以Makefile中的代码段地址是0x30000000，并非上一篇博客里写的0x00000000，从0x30000000处运行代码，在SDRAM的0x34000000处设置了一个栈指针，至于为什么栈指针是这个，后面的内容会详细解释，最后调用C函数，这里的C函数实现的功能是按下开发板上的k1键，led1亮，松开led1就灭，k2，k3，k4同样道理控制其他3个led，k5控制蜂鸣器的响与不响.
首先看Makefile，注意到Makefile的第4行，要求把代码段放在0x3000000处，解释如上。至于其他的内容和上一篇博客的Makefile没什么不同，Makefile就分析到此。
下面看看head.s的代码，程序一开始一个bl跳转指令，实现关闭看门狗的程序就不解释了。接着是一个Memory Controller(存储管理器)初始化的工作，这里涉及到13个寄存器，分别是BWSCON寄存器，BANKCON0寄存器等等，如果一开始我解释这些寄存器，你肯定不知道我要讲会听的云里雾里，所以我先讲点原理，把握整体再深究细节。
我们先从开发板的硬件原理图开始说起，因为是开发板的原理图是最基本直观的东西了，by the way，我用的开发板是mini2440，所以查看的是mini2440原理图，先上张图先：
卧槽，你TMD给我上张这个图片，先别着急，我是想让你看看着块芯片有多少根地址总线和数据总线，正因为这张图片长得是比较丑，所以我尽量把它讲的生动，美化它，最终让你爱上它。首先我们来明确两个概念，什么是地址总线，什么是数据总线，顾名思义，地址总线是CPU发送一个地址，地址总线决定了CPU所能访问的最大内存空间，这个CPU是中的地址总线是ADDR0~ADDR26，总用27条地址总线吧，所以s3c2440A最大访问的内存地址为2^27=128M，但是如果想让这个CPU实现最大能访问的内存空间达到1GB的空间怎么办呢，cpu还引出8根片选信号nGCS0~nGCS7，所以总的寻址空间就达到1GB了，虽然你在上面这张图看不出来有多少个片选信号，你可以在原理图上搜索一下即可。其实在这里，我就可以引出一张s3c2440
Memery Controller的地址空间分布图了，在上图之前，我讲一句话解释数据总线到底怎么回事：就是决定CPU每次传送数据的大小，这里有DARA0~DATA31,，，每次发送32位的数据，每次发送32位数据，其实就可以引出SDRAM的原理图了，暂且不说，先看Memery Controller的地址空间分布图：
看到这么一张大图，先别慌，我比你更慌，不知道怎么解释，先验证一下上面说的那段话，总共8个片选信号，为了满足1GB的地址空间的寻址，其实在这里每个片选对应一个bank，nGCS0对应的是Bank0，nGCS7对应Bank7，依次类推，只要选择了一个片选信号，例如我这里假设悬着nGCS6的片选信号，CPU的27根地址总线就能对0x30000000~0x38000000之间的地址进行寻址了，不过这里还要注意，并不是每个之间的每个地址都能进行存储数据，寻址什么的，因为s3c2440的每个Bank其实都是外接设备的，例如Bank0外接NorFlash，Bank4外接网卡DM9000，Bank6和Bank7外接SDRAM等，至于其他的我们暂时不用管，还可以涉及到芯片的2中启动方式我这里就不介绍了。这里Bank6和Bank7都外接SDRAM是怎么回事呢，这里就和上面的数据总线联系在一起了，因为开发板外接了两块SDRAM，每个SDRAM有16根数据总线，为了和cup的数据总线的宽度保持一致，所以要接两块SDRAM，SDRAM的原理图请看下图：
要知道SDRAM的工作原理，首先看看下面几个问题，下面是我其他博客上看到的：
(1) 地址线为什么从A2开始？
因为2440数据宽度为32位，按4字节对齐，即地址只会是0x...0,0x...4,0x..C,0x...E，每次地址增加都是四个字节，所以A0和A1没什么用。
(2) SDRM BANK 选择输入BA0/BA1为什么连接的是A24，A25
因为系统内存容量为64M,32bit,由两片64M 16bit的SDRM组成。表示64M的空间需要26根线，所以地址最高两位为A25和A24。
(3) 64M需要26根线，为什么实际只用到了A2~A14，A24，A25？
理论上应该将A2~A25直接连接到SDRAM来寻址64M(之所以不是A0~A25，是因为每次访问的是32bit)，而实际上只把A2~A14这13根线连接到SDRAM的A0~A12，这是因为SDRAM访问时地址是分两次给的，即行地址和列地址，不需要一次输入，行地址和列地址复用了A2~A14这13根线，这个SDRAM理论上可寻址的最大范围为2^13 * 2^13。
(4)为什么板子上SDRAM的空间为0x30000000 ~ 0x34000000
根据2440 SPEC，SDRAM只能放在BANK6 或 BANK7 (nGCS6或nGCS7),起始地址分别为0x30000000和0x38000000,一个BANK的大小为128M,现在选择BANK放SDRAM，而SDRAM的容量为64M(0x4000000)，所以SDRAM的范围就是0x30000000~0x34000000,为什么是0x3....呢？因为你把nGCS6片选接到SDRAM芯片上了;当然后你也可以接nGCS7,不过地址就要变了,[A29,A28,A27]=3,即从0x38000000开始.
看了上述的问题与回答，应该能大致理解SDRAM的工作原理吧。
最后我分析一下，Memery Controller的13个寄存器：
1.BWSCON寄存器：中文名字叫做位宽和等待控制器。
STx位：启动或禁止SDRAM的数据掩码引脚，对于SDRAM，此位为0，对于SRAM，此位为1；
WSx：是否使用存储器的WAIT信号，通常设置为0.
DWx：用来设置相应的Bank数据总线的位宽。
所以这里设置BWSCON寄存器的设置的值为0x22011110，bank7和bank6的位宽都为32位，其他的为16位，因外接的外设不同。还要注意一点的是Bank0，没有WS0和DW0
2.BANKCON0和BANKCON1，BANKCON2，BANKCON3，BANKCON4，BANKCON5属于同一类，用于设置外接设备的访问时序，具体要看芯片手册上的时序图，这里默认设置为0x0700即可。
3.BANKCON6和BANKCON7寄存器：因为Bank6和Bank7可以接SDRAM，还可以接SRAM，SROM等等，所以在这个寄存器里相应的位要指明接的是什么，可以根据MT（[16:15]）来控制，还有就是想BANKCON1等寄存器一样要设置时序了。这里根据芯片手册，设置为0x00018005即可。
4.REFRESH寄存器：中文名叫做刷新控制寄存器，可以设置SDRAM的刷新功能，要不要使能，刷新模式，刷新周期等等，这里可以设置0x008c007a3，具体对照芯片手册。
5.BANKSIZE寄存器：记住一点就是当多个SDRAM一起工作的时候，设置SDRAM在内存中的映射图
6.MRSRB6和MRSRB7寄存器，就是设置Bank6和Bank7的一些特征，知道一个设置值即可0x30，具体细节，我觉得没有必要太深入了，暂时对SDRAM的研究不需要太深，毕竟最终目标是自己定制一个U-Boot。
本文讲的是s3c2440A芯片的存储管理器，配套的开发板是友善之臂mini2440，首先贴出代码
head.s的代码：
[cpp] view
plain copy
.equ MEM_CTL_BASE, 0x48000000 @定义13个寄存器的首地址
.equ SDRAM_BASE, 0x30000000 @定义SDRAM的首地址
.text
.global _start
_start:
bl disable_watch_dog
bl memsetup
bl copy_steppingstone_to_sdram @把代码从片内的SRAM复制到SDRAM里面
ldr pc, =on_sdram
on_sdram:
ldr sp, =0x34000000 @设置栈指针，用来调用C函数
bl main
halt_loop:
b halt_loop
disable_watch_dog:
ldr r0, =0x53000000
mov r1, #0x0
str r1, [r0]
mov pc, r14
copy_steppingstone_to_sdram:
mov r0, #0x0
mov r1, #SDRAM_BASE
mov r2, #4096
Loop: @用一个循环，从片内SRAM的0地址开始复制到SDRAM的0x30000000处
ldr r3, [r0], #4
str r3, [r1], #4
cmp r0, r2
bcc Loop
mov pc, r14
memsetup: @设置存储管理器相关的13个寄存器
mov r0, #MEM_CTL_BASE
ldr r1, =0x22011110 @BWSCON
str r1, [r0], #4 @把r1寄存器里面的值放到r0所指的内存单元中，然后r0=r0+4
ldr r1, =0x00000700
str r1, [r0], #4 @BANKCON0
str r1, [r0], #4 @BANKCON1
str r1, [r0], #4 @BANKCON2
str r1, [r0], #4 @BANKCON3
str r1, [r0], #4 @BANKCON4
str r1, [r0], #4 @BANKCON5
ldr r1, =0x00018005
str r1, [r0], #4 @BANKCON6
str r1, [r0], #4 @BANKCON7
ldr r1, =0x008c07a3
str r1, [r0], #4 @REFRESH
ldr r1, =0x000000b1
str r1, [r0], #4 @BANKSIZE
ldr r1, =0x00000030
str r1, [r0], #4 @MRSRB6
str r1, [r0] @MRSRB7
mov pc, r14
led_key.c的代码：
[cpp] view
plain copy
#define GPBCON (*(volatile unsigned long *)0x56000010)
#define GPBDAT (*(volatile unsigned long *)0x56000014)
#define GPBUP (*(volatile unsigned long *)0x56000018)
#define GPGCON (*(volatile unsigned long *)0x56000060)
#define GPGDAT (*(volatile unsigned long *)0x56000064)
#define GPB5_out (1<<(5*2))
#define GPB6_out (1<<(6*2))
#define GPB7_out (1<<(7*2))
#define GPB8_out (1<<(8*2))
#define GPB0_out (1<<(0*2))
#define GPG0_in ~(3<<(0*2))
#define GPG3_in ~(3<<(3*2))
#define GPG5_in ~(3<<(5*2))
#define GPG6_in ~(3<<(6*2))
#define GPG7_in ~(3<<(7*2))
#define GPG11_in ~(3<<(11*2))
int main()
{
unsigned long read_value;
GPBCON |= (GPB5_out | GPB6_out | GPB7_out | GPB8_out | GPB0_out);
GPBUP &= 0x1e1;
GPBDAT |= 0x1e0;
GPGCON &= (GPG0_in & GPG3_in & GPG5_in & GPG6_in & GPG7_in );
while(1)
{
read_value = GPGDAT;
if(read_value & (1<<0))
{
GPBDAT |= (1<<5);
}
else
{
GPBDAT &= (~(1<<5));
}
if(read_value & (1<<3))
{
GPBDAT |= (1<<6);
}
else
{
GPBDAT &= (~(1<<6));
}
if(read_value & (1<<5))
{
GPBDAT |= (1<<7);
}
else
{
GPBDAT &= (~(1<<7));
}
if(read_value & (1<<6))
{
GPBDAT |= (1<<8);
}
else
{
GPBDAT &= (~(1<<8));
}
if(read_value & (1<<7))
{
GPBDAT &= (~(1<<0));
}
else
{
GPBDAT |= (1<<0);
}
}
return 0;
}
Makefile：
[cpp] view
plain copy
sdrampp1.bin : head.s led_key.c
arm-linux-gcc -g -c -o head.o head.s
arm-linux-gcc -g -c -o led_key.o led_key.c
arm-linux-ld -Ttext 0x30000000 -g head.o led_key.o -o sdrampp1_elf
arm-linux-objcopy -O binary -S sdrampp1_elf sdrampp1.bin
arm-linux-objdump -D -m arm sdrampp1_elf > sdrampp1.dis
clean:
rm -rf sdrampp1.* *.o
首先说明本程序主要实现的功能：本程序最终为了生成一个sdrampp1.bin的可执行文件下载到开发板的NandFlash的0地址处，一旦下载进去，s3c2440A这块芯片就会自动地把NandFlash的前4K代码复制到片内的steppingstone，也就是片内的SRAM里，如果不加处理，一般的程序就从SRAM的0地址处开始运行了，例如上一篇博客“arm裸机程序之LED灯”就是从SRAM的0地址处开始运行的，而本程序并非从SRAM的0地址开始执行，而是把片内的SRAM的4K代码复制到SDRAM的0地址处，最后从SDRAM的0地址处开始执行，所以Makefile中的代码段地址是0x30000000，并非上一篇博客里写的0x00000000，从0x30000000处运行代码，在SDRAM的0x34000000处设置了一个栈指针，至于为什么栈指针是这个，后面的内容会详细解释，最后调用C函数，这里的C函数实现的功能是按下开发板上的k1键，led1亮，松开led1就灭，k2，k3，k4同样道理控制其他3个led，k5控制蜂鸣器的响与不响.
首先看Makefile，注意到Makefile的第4行，要求把代码段放在0x3000000处，解释如上。至于其他的内容和上一篇博客的Makefile没什么不同，Makefile就分析到此。
下面看看head.s的代码，程序一开始一个bl跳转指令，实现关闭看门狗的程序就不解释了。接着是一个Memory Controller(存储管理器)初始化的工作，这里涉及到13个寄存器，分别是BWSCON寄存器，BANKCON0寄存器等等，如果一开始我解释这些寄存器，你肯定不知道我要讲会听的云里雾里，所以我先讲点原理，把握整体再深究细节。
我们先从开发板的硬件原理图开始说起，因为是开发板的原理图是最基本直观的东西了，by the way，我用的开发板是mini2440，所以查看的是mini2440原理图，先上张图先：
卧槽，你TMD给我上张这个图片，先别着急，我是想让你看看着块芯片有多少根地址总线和数据总线，正因为这张图片长得是比较丑，所以我尽量把它讲的生动，美化它，最终让你爱上它。首先我们来明确两个概念，什么是地址总线，什么是数据总线，顾名思义，地址总线是CPU发送一个地址，地址总线决定了CPU所能访问的最大内存空间，这个CPU是中的地址总线是ADDR0~ADDR26，总用27条地址总线吧，所以s3c2440A最大访问的内存地址为2^27=128M，但是如果想让这个CPU实现最大能访问的内存空间达到1GB的空间怎么办呢，cpu还引出8根片选信号nGCS0~nGCS7，所以总的寻址空间就达到1GB了，虽然你在上面这张图看不出来有多少个片选信号，你可以在原理图上搜索一下即可。其实在这里，我就可以引出一张s3c2440
Memery Controller的地址空间分布图了，在上图之前，我讲一句话解释数据总线到底怎么回事：就是决定CPU每次传送数据的大小，这里有DARA0~DATA31,，，每次发送32位的数据，每次发送32位数据，其实就可以引出SDRAM的原理图了，暂且不说，先看Memery Controller的地址空间分布图：
看到这么一张大图，先别慌，我比你更慌，不知道怎么解释，先验证一下上面说的那段话，总共8个片选信号，为了满足1GB的地址空间的寻址，其实在这里每个片选对应一个bank，nGCS0对应的是Bank0，nGCS7对应Bank7，依次类推，只要选择了一个片选信号，例如我这里假设悬着nGCS6的片选信号，CPU的27根地址总线就能对0x30000000~0x38000000之间的地址进行寻址了，不过这里还要注意，并不是每个之间的每个地址都能进行存储数据，寻址什么的，因为s3c2440的每个Bank其实都是外接设备的，例如Bank0外接NorFlash，Bank4外接网卡DM9000，Bank6和Bank7外接SDRAM等，至于其他的我们暂时不用管，还可以涉及到芯片的2中启动方式我这里就不介绍了。这里Bank6和Bank7都外接SDRAM是怎么回事呢，这里就和上面的数据总线联系在一起了，因为开发板外接了两块SDRAM，每个SDRAM有16根数据总线，为了和cup的数据总线的宽度保持一致，所以要接两块SDRAM，SDRAM的原理图请看下图：
要知道SDRAM的工作原理，首先看看下面几个问题，下面是我其他博客上看到的：
(1) 地址线为什么从A2开始？
因为2440数据宽度为32位，按4字节对齐，即地址只会是0x...0,0x...4,0x..C,0x...E，每次地址增加都是四个字节，所以A0和A1没什么用。
(2) SDRM BANK 选择输入BA0/BA1为什么连接的是A24，A25
因为系统内存容量为64M,32bit,由两片64M 16bit的SDRM组成。表示64M的空间需要26根线，所以地址最高两位为A25和A24。
(3) 64M需要26根线，为什么实际只用到了A2~A14，A24，A25？
理论上应该将A2~A25直接连接到SDRAM来寻址64M(之所以不是A0~A25，是因为每次访问的是32bit)，而实际上只把A2~A14这13根线连接到SDRAM的A0~A12，这是因为SDRAM访问时地址是分两次给的，即行地址和列地址，不需要一次输入，行地址和列地址复用了A2~A14这13根线，这个SDRAM理论上可寻址的最大范围为2^13 * 2^13。
(4)为什么板子上SDRAM的空间为0x30000000 ~ 0x34000000
根据2440 SPEC，SDRAM只能放在BANK6 或 BANK7 (nGCS6或nGCS7),起始地址分别为0x30000000和0x38000000,一个BANK的大小为128M,现在选择BANK放SDRAM，而SDRAM的容量为64M(0x4000000)，所以SDRAM的范围就是0x30000000~0x34000000,为什么是0x3....呢？因为你把nGCS6片选接到SDRAM芯片上了;当然后你也可以接nGCS7,不过地址就要变了,[A29,A28,A27]=3,即从0x38000000开始.
看了上述的问题与回答，应该能大致理解SDRAM的工作原理吧。
最后我分析一下，Memery Controller的13个寄存器：
1.BWSCON寄存器：中文名字叫做位宽和等待控制器。
STx位：启动或禁止SDRAM的数据掩码引脚，对于SDRAM，此位为0，对于SRAM，此位为1；
WSx：是否使用存储器的WAIT信号，通常设置为0.
DWx：用来设置相应的Bank数据总线的位宽。
所以这里设置BWSCON寄存器的设置的值为0x22011110，bank7和bank6的位宽都为32位，其他的为16位，因外接的外设不同。还要注意一点的是Bank0，没有WS0和DW0
2.BANKCON0和BANKCON1，BANKCON2，BANKCON3，BANKCON4，BANKCON5属于同一类，用于设置外接设备的访问时序，具体要看芯片手册上的时序图，这里默认设置为0x0700即可。
3.BANKCON6和BANKCON7寄存器：因为Bank6和Bank7可以接SDRAM，还可以接SRAM，SROM等等，所以在这个寄存器里相应的位要指明接的是什么，可以根据MT（[16:15]）来控制，还有就是想BANKCON1等寄存器一样要设置时序了。这里根据芯片手册，设置为0x00018005即可。
4.REFRESH寄存器：中文名叫做刷新控制寄存器，可以设置SDRAM的刷新功能，要不要使能，刷新模式，刷新周期等等，这里可以设置0x008c007a3，具体对照芯片手册。
5.BANKSIZE寄存器：记住一点就是当多个SDRAM一起工作的时候，设置SDRAM在内存中的映射图
6.MRSRB6和MRSRB7寄存器，就是设置Bank6和Bank7的一些特征，知道一个设置值即可0x30，具体细节，我觉得没有必要太深入了，暂时对SDRAM的研究不需要太深，毕竟最终目标是自己定制一个U-Boot。
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