ARM内存映射与启动地址重映射机制解析

目录

内存映射

1. 核心概念：内存映射 (Memory Map)

2. 启动过程与地址重映射 (Remapping)

关键：启动引脚 (Boot Pins)

这个过程可以类比：

3. 为什么设计成这样？

4. 一图流总结

图解说明：

核心要点：

总结

5. 关于上文的“重映射控制器”

核心区别：ARM Cortex-M 内核 vs. 芯片厂商的实现

“重映射”的具体实现方式

以STM32F1系列为例（来自ST的参考手册）

总结

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内存映射

        在上一篇博客中，我们解析了arm内核架构中的icode、dcode、s-bus总线和总线矩阵。需要注意的是，不论是icode、dcode、s-bus 在访问物理内存时都经过了内存映射（或者叫寄存器映射）

内存重映射的机制是由芯片厂商设计的一部分硬件逻辑实现的，而这部分逻辑通常与总线矩阵紧密集成，或者说是总线矩阵功能的一部分。

上篇博客：https://blog.csdn.net/leilei050213/article/details/151442621?spm=1001.2014.3001.5501

1. 核心概念：内存映射 (Memory Map)

ARM Cortex-M内核设计了一个固定的内存映射架构。这意味着CPU内核“认为”4GB的地址空间（从0x0000_0000到0xFFFF_FFFF）的特定区域永远对应特定类型的内存或设备。

这种固定映射的好处是极大的可移植性。任何为Cortex-M编写的软件都知道：

• 代码在 0x0000_0000 和 0x0800_0000。

• 数据RAM在 0x2000_0000。

• 外设在 0x4000_0000。

• 内核寄存器在 0xE000_0000。

无需为不同的芯片重新配置基本内存布局。

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2. 启动过程与地址重映射 (Remapping)

现在我们从一个疑问来探究地址重映射的过程：为什么代码物理上存储在0x08000000，但CPU却从0x00000000开始取指？

答案是通过一个叫做地址重映射的机制。这是由芯片厂商（如ST、NXP）在微控制器内部通过硬件实现的。

关键：启动引脚 (Boot Pins)

很多MCU都有启动引脚（如BOOT0, BOOT1）。这些引脚在上电复位时的电平，决定了芯片将什么物理内存映射到启动地址0x0000_0000。

以STM32为例，常见的启动选项有：

1. 从主Flash启动 (通常模式)：

   1. 将引脚配置为从主Flash启动。

   2. 此时，芯片内部的内存控制器会做一个简单的地址偏移映射：

      • 所有对地址 0x0000_0000 的访问，都会被重定向到 0x0800_0000。

      • 访问 0x0000_0001 -> 变成访问 0x0800_0001

      • 访问 0x0000_FFFF -> 变成访问 0x0800_FFFF

   3. iCode总线去 0x0000_0000 取指令，内存控制器悄悄地将这个请求转给了 0x0800_0000 位置的Flash存储器。CPU内核完全不知道这个重映射过程，它以为指令就在 0x0000_0000。

2. 从系统存储器启动 (ISP模式)：

   1. 芯片内部有一块特殊的BootROM，里面预烧了厂家的串口/USB下载程序。它的物理地址可能是在 0x1FFF_0000。

   2. 当配置为从系统存储器启动时，对 0x0000_0000 的访问会被重定向到这片BootROM。

3. 从内置SRAM启动：

   1. 用于调试。将SRAM（物理地址 0x2000_0000）映射到 0x0000_0000。

这个过程可以类比：

• 你的家（Flash） 实际地址是：幸福路808号（0x0800_0000）。

• 但市政规定，所有寄到 市中心1号（0x0000_0000） 的包裹，都会自动被邮局转到 幸福路808号。

• CPU（邮差） 只知道把包裹送到“市中心1号”，它不知道转交过程，但这个包裹最终总能正确送达你的家。

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3. 为什么设计成这样？

这种设计非常巧妙，主要有两个优点：

1. 统一的入口点：

   1. 无论芯片内部Flash的物理地址在哪里，无论你有多少种启动方式，ARM内核CPU硬件永远、且只需要从同一个地址 0x0000_0000 开始取指令。

   2. 这简化了CPU内核的设计，使其不需要关心外部世界的复杂变化。

2. 极大的灵活性：

   1. 芯片厂商可以通过启动引脚和重映射逻辑，提供多种启动模式，而无需修改CPU核心。

   2. 开发者可以灵活选择从程序Flash启动、从BootLoader启动、或者从RAM启动进行调试，硬件帮你搞定地址转换问题。

4. 一图流总结

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图解说明：

1. 起点 (CPU请求)：

   1. CPU 内核的 iCode 总线严格按照 ARM 架构设计，永远从逻辑地址 0x0000 0000 开始取指。这是它的固定行为。

2. 路由 (总线矩阵)：

   1. 这个取指请求首先到达总线矩阵，这是芯片内部的“交通枢纽”。

3. 决策 (启动配置)：

   1. 总线矩阵会根据启动引脚（BOOT0, BOOT1） 的电平状态，决定将这个请求路由到哪里。最常见的情况（用户Flash启动）就是路由到重映射控制器。

4. 转换 (地址重映射)：

   1. 所谓的“重映射控制器”是这个过程的核心。它接收到一个针对 0x0000 0000 的访问请求，然后根据厂家预设的规则，悄悄地将这个请求转换为对物理地址 0x0800 0000 的访问。

5. 目的地 (物理Flash)：

   1. 转换后的请求最终抵达实际的物理硬件：主Flash存储器。指令数据从这里被取出。

6. 返回数据：

   1. 数据沿着原路返回：Flash -> 重映射控制器 -> 总线矩阵 -> CPU。

   2. CPU 始终认为自己是从 0x0000 0000 读到了数据，它对背后发生的重映射过程一无所知。

核心要点：

• 逻辑地址 vs. 物理地址： 0x0000 0000 是CPU视角的逻辑地址（它认为的世界）。0x0800 0000 是Flash芯片的物理地址（真实的世界）。

• 重映射是桥梁： 芯片内部的“重映射”负责将CPU的“逻辑世界”和存储器的“物理世界”连接起来。

• 对程序员透明： 整个重映射过程由硬件完成，软件工程师无需干预。你只需要知道你的程序被烧录到了 0x0800 0000，并且CPU会正确地从那里开始执行。

总结

• CPU从 0x0000_0000 开始执行：这是ARM Cortex-M架构规定的、不可改变的硬件行为。

• Flash物理地址在 0x0800_0000：这是芯片厂商根据ARM的内存映射建议分配的物理地址。

• 连接二者的桥梁：是芯片内部的重映射机制。它根据启动引脚的配置，将CPU对“启动地址”的访问透明地重定向到不同的物理存储器上（Flash、SRAM或BootROM）。

• iCode总线：它负责执行取指操作，它发出的是“逻辑地址”（0x0000_0000），但经过重映射后，这个请求被传递到了“物理地址”（0x0800_0000）上的Flash存储器。

所以，0x0000 0000 和 0x0800 0000 这两个地址都是存在的，它们描述的是不同层面的概念：一个是CPU视角的逻辑地址，一个是存储器的物理地址。重映射技术则将这两个视角巧妙地统一了起来。

5. 关于上文的“重映射控制器”

在 ARM Cortex-M3 Technical Reference Manual (cortex-m3技术参考手册) 中，我们不会找到一个名为 “Remapping Controller” (重映射控制器) 的独立模块。

“重映射控制器”是一个为了易于理解而使用的一个功能性的统称，它实际上指向了芯片厂商实现的一系列机制。

核心区别：ARM Cortex-M 内核 vs. 芯片厂商的实现

首先要理解一个关键区别：

1. ARM Cortex-M 内核： 它定义了CPU核心本身的行为（如寄存器、指令集、NVIC）和它期望看到的固定内存映射（即CPU发出的地址0x0000_0000应该对应什么）。

2. 芯片厂商 (如ST, NXP, TI)： 他们购买ARM的IP授权，然后围绕Cortex-M内核设计自己的芯片（MCU）。他们负责实现内存控制器、Flash、SRAM、外设，并决定如何将物理存储器映射到CPU所期望的地址空间。

我们找不到“重映射控制器”的原因在于：这个“重映射”功能是芯片厂商在它们自己的芯片设计中加入的，不属于ARM Cortex-M核心的标准部分。因此，它不会出现在内核的技术参考手册中，而是描述在芯片厂商的数据手册 (Datasheet) 和参考手册 (Reference Manual) 里。

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“重映射”的具体实现方式

芯片厂商通常通过以下两种主要方式来实现地址 0x0000_0000 的“重映射”：

1. 地址别名 (Address Aliasing) - 最常见的方式

这是最简单、最低成本的方式。它不是一个复杂的“控制器”，而更像是一个固定的地址连线偏移。

• 工作原理： 在芯片的内部总线结构中，将CPU对地址块 0x0000_0000 - 0x0007_FFFF (例如) 的访问请求，其地址线最高位直接忽略或重新编码，从而定向到物理地址块 0x0800_0000 - 0x0807_FFFF。

• 类比： 这就像是一栋大楼。CPU总是说“我要去101房间”，而大楼的管理系统（芯片设计）硬性规定“所有101房间的请求都自动引导到201房间”。没有复杂的计算，只是一个简单的、固定的规则。

• 特点： 这种方式是静态的、固定的。一旦芯片制造好，0x0000_0000 就永远别名到 0x0800_0000。启动模式的选择可能是通过改变别名到的目标地址来实现的（见下一条）。

1. 内存地址重映射开关 (Memory Remap Switch)

一些更复杂的芯片（或Cortex-A系列）会有一个真正的可编程重映射控制器，通常称为 “Remap” 或 “Memory Controller” 功能。

• 工作原理： 芯片内部存在一个可配置的开关电路。CPU可以通过配置一个特定的控制寄存器来改变这个开关的状态。

• 这个寄存器： 允许软件动态地改变地址 0x0000_0000 映射到哪一块物理存储器（Flash, SRAM, BootROM）。

• 在哪里描述： 这个寄存器是芯片厂商自定义的，它的地址、位定义都会写在芯片的参考手册中，通常是在系统配置（System Configuration）或内存控制器（Memory Controller）的章节里。例如，在STM32的参考手册中，你会找到类似“Boot configuration”的寄存器。

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以STM32F1系列为例（来自ST的参考手册）

在STM32中，实现“重映射”的机制是上述两种方式的结合：

1. 固定别名区域： CPU地址 0x0000_0000 - 0x1FFF_FFFF 这块512MB的区域被设计为可重映射的区域。它本身不固定对应任何物理内存。

2. Boot引脚配置开关： 芯片上电复位时，会采样BOOT0和BOOT1引脚的电平。

3. 硬件自动配置： 根据引脚电平，芯片内部的硬件逻辑会自动设置一个隐藏的开关，将这个“可重映射区域”连接到三块物理存储器中的一块：

   1. BOOT1=0, BOOT0=0 -> 映射到 Main Flash (物理地址 0x0800_0000)

   2. BOOT1=0, BOOT0=1 -> 映射到 System Memory (BootROM, 物理地址 0x1FFF_0000 等)

   3. BOOT1=1, BOOT0=1 -> 映射到 Embedded SRAM (物理地址 0x2000_0000)

这个过程在复位后由硬件瞬间完成，无需软件初始化。之后，这个映射关系就固定了，直到下一次复位。

总结

1. 关于“内存重映射”该查阅哪里：

   1. 要理解CPU视角的内存布局，看 《Cortex-M3 Technical Reference Manual》。

   2. 要理解物理芯片的内存布局和重映射实现细节，看 芯片的数据手册 (Datasheet) 和 参考手册 (Reference Manual)。查找 “Boot configuration”、 “Memory organization” 或 “Controller registers” 等章节。

2. 对程序员的意义：

   1. 对于绝大多数应用程序开发者来说，这个重映射过程是完全透明的。你只需要知道程序计数器从 0x0000_0000 开始，而你的代码链接在 0x0800_0000，硬件会帮你处理好一切。

   2. 只有当你在编写Bootloader或进行非常底层的系统调试时，才需要深入了解BOOT引脚的配置和芯片具体的重映射机制。