S32K144芯片内存映射图与启动流程分析

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 towrite-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