引言
隨着半導體工藝技術與處理器設計技術的不斷提高,嵌入式處理器的速度愈來愈快;而非易失性存儲器的讀取速度卻遠遠跟不上CPU的發展。傳統的單片機運行模式——機器代碼存儲在非易失性存儲器(如ROM,FLASH),在運行時由CPU直接從其中取出指令執行——逐漸顯得力不從心。如果繼續沿用傳統的程序運行模式,那麼在絕大多數時間內高速CPU將處於空閒等待狀態,這既浪費了CPU的計算能力,也無法實現高密度數據流的實時處理與傳輸。而在短期之內,半導體工業界尚無法實現低成本的非易失性高速存儲器技術。爲了解決上述處理器和非易失性存儲器之間速度不匹配的矛盾,工程師們在嵌入式系統領域內引用了Boot技術和Remap技術。而要正確理解Boot技術和Remap技術,必須先建立Memory Map(存儲器映射)的概念。
技術概念描述
Memory Map
計算機最重要的功能單元之一是Memory。Memory是衆多存儲單元的集合,爲了使CPU準確地找到存儲有某個信息的存儲單元,必須爲這些單元分配一個相互區別的“身份證號”,這個“身份證號”就是地址編碼。在嵌入式處理器內,集成了多種類型的Memory,通常,我們稱同一類型的Memory爲一個Memory Block。一般情況下,處理器設計者會爲每一個Memory Block分配一個數值連續、數目與其存儲單元數相等、以16進製表示的自然數集合作爲該Memory Block的地址編碼。這種自然數集合與Memory Block的對應關係,就是Memory Map(存儲器映射),有時也叫Address Map(地址映射)。實際上,Address Map在字面意義上更加貼切。
需要強調的是,Memory Map是一個邏輯概念,是計算機系統在(上電)復位後才建立起來的。Memory Map相當於這樣一個數學函數:函數的輸入量是地址編碼,輸出量被尋址單元中的數據。當計算機系統掉電後或復位時,這個數學函數不復存在,只剩下計算機系統中實現這個數學函數的物理基礎——電路連接。也可以這樣認爲:Memory Map是計算機系統(上電)復位時的預備動作,是一個將CPU所擁有的地址編碼資源向系統內各個物理存儲器塊分配的自動過程。
Boot/Bootload
Boot在計算機專業英文中的意思是“引導”,它是計算機系統(上電)復位後CPU的第一個機器動作。那麼,Boot引導的是什麼呢?簡要地說,Boot就是引導CPU如何裝入機器指令。最簡單的Boot動作就是8位單片機系統復位後從復位向量中取出跳轉指令,轉移到用戶程序代碼段執行的這個過程。
通常,在計算機系統中,(上電)復位後除了執行Boot動作,還跟隨着一個Load過程。一般情況下,該Load從低速非易失性存儲器中“搬運”一些數據到高速易失性存儲器中。Boot和Load連續執行,一氣呵成,我們稱之爲Bootload。最典型的例子之一就是DSP實時信號處理系統,系統上電後,將存儲在EEPROM中的實時信號處理程序複製到系統的RAM中,然後CPU直接從RAM中讀取機器指令運行。
Remap
Remap與計算機的異常處理機制是緊密相關的。
完整的計算機系統必須具備異常處理能力。當異常產生時,CPU在硬件驅動機制下跳轉到預先設定的存儲器單元中,取出相應的異常處理程序的入口地址, 並根據該入口地址進入異常處理程序。這個保存有異常處理程序入口地址的存儲器單元就是通常所說的“異常入口”,單片機系統中也叫“中斷入口”。實際的計算機系統有多種類型的異常,CPU設計人員爲了簡化芯片設計,一般將所有的異常入口集中起來置於非易失性存儲器中,並在系統上電時映射到一個固定的連續地址空間上。位於這個地址空間上的異常入口集合就是“異常向量表”。
系統上電後的異常向量表是從低速非易失性存儲器映射得到的。隨着處理器速度的不斷提高,很自然地,人們希望計算機系統在異常處理時也充分發揮出CPU的處理能力,而非易失性存儲器的讀取速度使得CPU只能以多個空閒等待同期來獲取異常向量,這樣就限制了CPU計算能力的充分發揮。尤其是非易失性存儲器位寬小於CPU位寬時,這種負面的影響更加明顯。於是,Remap技術被引入,以提高系統對異常的實時響應能力。
從Remap這個英文單詞的構成不難看出,它是對此前已確立的存儲器映射的再次修改。從本質上講,Map和Remap是一樣的,都是將地址編碼資源分配給存儲器塊,只不過二者產生的時間不同:前者在系統上電的時刻發生,是任何計算機系統都必需的;而後者在系統上電後穩定運行的時刻發生,對計算機系統設計人員來說是可選的。典型的8位單片機系統中,就沒有使用Remap技術。
完整的Remap過程實際上通常始於系統的Bootload過程。具體執行動作爲:Bootload將非易失性存儲器中的異常向量複製到高速易失性存儲器塊的一端,然後執行Remap命令,將位於高速易失性存儲器中的異常向量塊映射到異常向量表地址空間上。此後,系統若產生異常,CPU將從已映射到異常微量表地址空間的高速非易失性存儲器中讀取異常向量。具體到典型的ARM7嵌入式系統中,就是由Bootload程序將片內或片外的Flash/ROM中的異常向量複製到片內的SRAM中指定的存在器單元中,然後再執行Remap命令。由於片內的SRAM數據位寬通常與CPU數據位寬相等,因而CPU可以無等待地全速跳入異常處理程序,獲得最佳的實時異常響應。
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