S32K144芯片内存映射图与启动流程分析
描述
1. S32K144为NXP公司采用ARM内核（cortex-M4）IP和ARMv7-M架构集成的SOC。
2. 内存映射图
2.1 S32K144芯片内存映射图（memory map）
2.2 Cortex-M4内存映射图
Code，SRAM，RAM区域都能保存程序。ARM系统推荐使用Code段来保存执行程序。
3. 编程模型
3.1） Cortex-M4两种工作模式：
线程模式（Thread Model），应用程序正常执行的时候所在的模式，处理器每次reset重启后进入这个模式；异常处理模式（Handler Model），CPU异常处理的时候进入这个模式，当CPU执行完异常处理程序后会退回到Thread Model。
3.2） Cortex-M4两种特权级：
非特权级状态（Unprivileged），软件限制使用MSR和MRS指令，不能使用CPS指令。不能访问系统定时器，NVIC嵌套向量中断控制器和系统控制块。特权级状态（Privileged），能访问所有资源，使用所有指令。
3.3） Thread模式下，CONTROL寄存器控制软件执行在privileged或者unprivileged状态。unpriveleged 软件执行时可以通过 SVC 指令进行supervisor call进入privilieged software。
3.4） 处理器使用降栈。Thread mode下，CONTROL寄存器控制处理器使用main stack还是进程栈process stack。在Handler模式下，处理器只使用main stack。
3.5） 核寄存器（Core registers）
R0-R12为通用寄存器
特殊寄存器：
R13是堆栈寄存器（stack Pointer），在Thread mode下，COTROL寄存器的bit[1]控制stack pointer作为Main Stack Pointer（MSP 这个是reset 值）还是Process Stack Pointer（PSP）
note：reset后，处理器装载0x00000000地址处的四字节值到MSP寄存器。也就是说系统启动的时候，0地址处存放的是MSP寄存器的值。
R14是连接寄存器（Link Register），他存储子程序、函数调用、异常处理程序时的返回信息。reset重启时，处理器设置LR寄存器的默认值为0xFFFFFFFF。
R15是程序计数器（Program Counter PC）。存储当前程序地址。reset重启的时候，处理器装载0x00000004地址处的值到PC指针。
程序状态寄存器（Program Status Register），包括应用程序状态寄存器（Application Program Status Register APSR）、中断程序状态寄存器（IPSR）、异常程序状态寄存器（EPSR）。
4. startup_S32K144.S源代码分析：
4.1 上电启动
根据上面的分析，reset后处理器从0x00000000地址处取四字节值到MSP寄存器，也就是取 __StackTop标号的值到MSP寄存器。然后处理器装载0x00000004地址处的值（Reset_Handler标号代表的值）到PC指针，也就是程序跳转到Reset_Handler标号处开始运行。
__isr_vector:
.long __StackTop /* Top of Stack */
.long Reset_Handler /* Reset Handler */
4.2 关闭CPU全局中断
通过汇编指令“cpsid i”，关闭 CPU 全局中断的目的是避免启动过程中中断的影响；因为此时中断向量表还未建立好，无法响应外设中断
Reset_Handler:
cpsid i /* Mask interrupts */
4.3 清零R1-R12通用寄存器
每次复位后， CPU 内核寄存器的值是随机不确定的，所以需要将其清零。
note 1: 为什么清零r1-r7寄存器用ldr伪指令，而清除r8-r12寄存器是要用mov指令 ？
r1-r7是low registers，r8-r12是hight registers，参考ARMv7-M Architecture手册：
大多数16位指令指令只能访问R0-R7这8个通用寄存器（low registers）；只有小部分的指令能访问R8-R15寄存器（high registers）
note2: LDR R，label 和 LDR R，=label的区别
LDR 是ARM中的指令，也是伪指令。当用 LDR r, =imd ；r 为寄存器， imd为立即数LDR 是一条伪指令。编译器会根据 立即数的大小，决定用 ldr 指令或者是mov或mvn指令。当imd能用mov或者mvn操作时，就将它翻译成一条mov或mvn指令。当imd大于mov或mvn能够操作的数时，编译器会将imd存在一个内存单元中，然后再用一条ldr指令加载这个内存单元的的值到寄存器中。
LDR r, label 和 LDR r, =label的区别：
LDR r, =label 会把label表示的值加载到寄存器中，而LDR r, label会把label当做地址，把label指向的地址中的值加载到寄存器中。譬如 label的值是 0x8000， LDR r, =label会将 0x8000加载到寄存器中，而LDR r, label则会将内存0x8000处的值加载到寄存器中。
/* 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 初始化堆栈
ARM Cortex M 系列 CPU 内核有 MSP 和 PSP 两个 32-bit 的堆栈，由于中断和异常处理时使用 MSP 所以必须在发生中断/异常之前将其初始化，其初始化值来自默认向量表的 0 地址偏移，即 0x0000 地址存放的 4 个字节。
note: __StackTop是S32K144_64_flash.ld链接器脚本中定义标号，也就是0x20007000地址处，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 系统初始化
在完成了以上堆栈初始化之后， CPU 就可以运行 C 代码了，所以此时通过调用定义在工程 SDK->platform->device->S32K144->startup 目录下的 system_S32K144.c 中的系统初始化函数--SystemInit():根据工程配置完成：1）CPU 内核 FPU 配置和使能(如果创建应用工程时选择浮点数运算使用硬件 FPU)
2）关闭看门狗(默认配置)
3）使能 CPU 内核指令缓冲(I-Cache)等 MCU 硬件平台配置。
#ifndef __NO_SYSTEM_INIT
/* Call the system init routine */
ldr r0,=SystemInit
blx r0
#endif
我们么有选择使用FPU和CPU内核指令缓冲，所以主要介绍关闭看门狗操作：
4.5.1 配置CNT（Watchdog Counter Register）寄存器
往看门狗模块的CNT（Watchdog Counter Register）寄存器写入0xD928C520（FEATURE_WDOG_UNLOCK_VALUE）。为什么要写入这个值？
查看S32芯片手册：
Unlock sequence of writing 0xC520 and then 0xD928 for allowing updates to write-once configuration bits .
意思就是看门狗的默认配置是lock的，如果要改变看门狗的配置首先需要解锁：往CNT寄存器中写入
0xD928C520，然后再通过CS（Watchdog Control and Status Register）来配置看门狗模块。
4.5.2 配置CS（Watchdog Control and Status Register）
主要配置CS寄存器的四个功能
4.5.3 配置看门狗TOVAL寄存器
TOVAL是一个16位的超时寄存器（65535），也就是说是timeout为65535个时钟周期，到点没有喂狗则产生看门狗复位。
/* 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
接下来，启动文件会调用定义在 SDK->platform->devices 目录下 startup.c 中的init_data_bss()函数完成应用工程运行所需的 RAM 初始化。
/* Init .data and .bss sections */
ldr r0,=init_data_bss
blx r0
在 startup.c 中通过申明外部变量(extern)的方式，可以引用定义在工程链接文件中的__DATA_ROM、__DATA_RAM、__DATA_END、__CODE_RAM、__CODE_ROM、__CODE_END、__BSS_START 和__BSS_END 符号，获得工程链接结果中.data 段(有初始化值)、 .bss 段(未初始化和初始化值为 0)的全局变量以及重定向到 RAM 中运行的.code 段代码/函数在 Flash 和RAM 中的起始地址和长度(结束地址-开始地址)。
然后再通过数据指针的方式实现全局变量初始化值和重映射代码从 Flash 到 RAM 中的拷贝以及.bss 段的清零：具体包括：
1）初始化.data 段
2）初始化.code 段
3）初始化.bss 段
4）将中断向量表从 Flash 拷贝到 RAM 中并
5）初始化 CPU 系统中断向量偏移地址，使其指向 RAM 中新的中断向量表(如果编译目标为 debug，编译结果存储在 Flash 中)。
note 1: .code段不是代码段，.code段属于m_data域（RAM）用来存放重映射到RAM中的代码。
note 2: .text段才是代码段，.text段属于m_text域（ROM），存放的就是代码。
note 3: 为什么要将.data .bss 中断向量表拷贝到m_data域（RAM），因为.data中保存的是初始化过后的全局变量/静态局部变量.bss段中保存的是未初始化（初始化为0）的全局变量/静态局部变量，在系统运行的时候是需要改变的，而ROM是只读的，中断向量表同理。
note 4: 代码是不需要改变的，为什么也有部分的代码需要重映射到RAM中执行？-- 因为效率，因为相对于ROM来说，RAM的数据宽度较大，速度较快。
note 5: 怎么将代码重映射到RAM中？
通过上面的分析可知，在 S32K1xx 系列 MCU 的启动过程，会自动将定义在.code 段中的代码/函数从其 Flash 储存地址拷贝到 RAM 中的运行时地址。
只有将用户代码分配到 Flash 中的编译目标，即使用 S32K1xx_xx_flash.ld 链接文件的编译目标才存在代码重映射。若是将应用工程编译结果代码分配到 RAM 的编译目标（使用 S32K1xx_xx_ram.ld 链接文件），其编译的函数/代码本身就是储存在 RAM 中的，所以无需重映射 。
将 想 要 重 映 射 的 代 码 / 函 数 通 过 __attribute__((section(".code_ram")))指定到.code_ram 段 由于在应用工程链接文件中已经将用户段.code_ram 放置在了.code 段中，所以，我们只需要在 C 代码中，将想要重映射的代码/函数通过__attribute__ ((section(".code_ram")))指定到.code_ram 段即可。比如下面就是将 main()函数指定到.code_ram 段的具体实现：int __attribute__ ((section(".code_ram"))) main(void) 。
在 S32DS IDE 应用工程中，一个函数若没有特别指定，其将分配到.text 代码段。
需要注意是关键词-- __attribute__ ((section(".code_ram"))) 添加的位置，每个需要指定的函数都要添加这个关键词，因此，可以将其定义为一个宏比如 CODE_RAM 使用：#define CODE_RAM __attribute__ ((section(".code_ram")))然后，再将 CODE_RAM 放在定义的函数名前即可。
/*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 打开CPU全局中断
在完成 RAM 初始化和中断向量表初始化后，就可以打开 CPU 全局中断，响应外设中断了；打开 ARM Cortex M 系列 CPU 内核的全局中断通过汇编语句--“cpsie i”完成。
cpsie i /* Unmask interrupts */
4.8 跳转到应用程序 main()函数在完成以上准备工作之后，启动过程的最后一步是跳转到应用程序 main()函数.
bl main
5. 相关应用
从bootloader跳转到application的时候，要设置应用中R13寄存器中的堆栈地址，然后直接跳转到app中的Reset_Handler执行：bootup_application(0x5000, 0x5004)
同时需要修改app程序中链接器脚本中的连接地址
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();
}
审核编辑：刘清
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