8051 Code Banking

http://blog.sina.com.cn/s/blog_61500ed601012cgf.html

刚写完8051内存模型，今天我和大家一起来看看8051的代码分页机制（code banking）。如有疑问，请与我商榷。

Contiki支持的flash大小主要分为两种，一种是256KB（cc253x）或者128KB（snsinode）。如前篇文章所讲8051 memory spaces，flash主要映射到code存储空间，宽度为16bit，寻址范围可达到64kb。

首先我想问一个问题，为何要进行code banking？？通俗点说一个标准的8051器件能寻址64KB的代码空间。对于超过64KB的代码，单片机系统通常采用代码分页（CODE BANKING）的方式来扩展程序空间。代码分页的机理就是将地址空间分成小于或等于64KB的不同的代码段，通过片选的方式实现程序在不同代码空间的跳转.

这篇文章当然描述的是一些基础性的东西，并且只针对contiki支持的soc。如果想详细参考，请看最后的reference list

(支持原创，如需转载，请注明地址：http://blog.sina.com.cn/litianping0709 作者：叶雨荫城（阿雨）)

How does it Work

什么叫做banks？flash被分解成的小于或者等于64KB的代码段称之为banks。不同设备的banks数量不一定相同，但是技术是一样的。每个bank的大小为32KB，因此cc2430有4个banks，而cc2530有8个banks。

由于flash的大小超过64KB，我们不得不利用三个字节来进行寻址。举个例子，cc2530的物理地址范围为ox000000到0x03ffff。

Common Segment

flash的低地址位的32KB（物理地址0x000000到0x007fff），一般称之为common segment（HOME 或者 BANKO）,总是由code存储空间的低32KB进行寻址（0x0000-0x7fff）。

Switched Segments

而code的高32KB地址空间（0x8000-0xffff）主要用来寻址剩下的N-1代码段。在任何给定的时间内只能指向一个segment。通过一个特殊的寄存器来告诉芯片现在只想的bank是哪个，寄存器一般称之为PSBANK或者FMAP.

Physical and Virtual Addresses

下面的表格显示了物理地址（on flash），code存储空间的地址及相应FMAP寄存器之间的值。

The Problem

到目前为止，上述机制听起来比较简单，但是不知道大家有没有注意到一个问题，在x bank里的代码希望调用y bank里代码时该怎么办？？如果在转换bank之前调用相应的代码将会出现错误。而如果在调用之前转到了相应的bank，那么调用者已经被转换，调用也是不可能的。

Writing Banked Software with SDCC

为了解决这个问题，SDCC使用了一项称之为trampoline的技术banked函数调用的实现通过位于common segment中的一小块intermediate代码段来实现。为了讲述简单，流程如下：

• caller:
  • 在RO、R1、R2中写入希望调用函数的地址，同时包括bank号
  • Invokes the trampoline (banked call)
• The trampoline:
• • 将当前bank的信息写入到stack中
  • 加载新的 bank
  • 调用函数 
• The callee:
  • Runs (and possibly makes more banked calls)
  • Returns to the trampoline (banked return)
• The trampoline:
• • Loads the original bank (which is read from stack)
  • Returns to the caller

Normal vs Banked Calls

很明显，上述的调用对stack和调用的开销都会加大，但是我们知道banked调用相对是比较少的。

SDCC Memory Models

如之前文章所讨论到的8051 memory spaces，SDCC利用其中的模型之一来构建可运行程序。

Small, Medium and Large - Explicit Banking  

对于small，medium或者large来说，开发者必须显式的调用banked函数。

• 函数声明必须有__banked关键字
• 函数原型也需要__banked关键字

例子:

void foo() __banked; void bar() __banked

{

foo();

}

Huge - Implicit Banking  :  

而对于huge模型来说，所有的函数调用/返回都会调用trampoline。看例子。

void foo();

void bar()

{

   foo();

 / * This automatically becomes a banked return */

}

Here be Dragons

当然上述特性是SDCC不成文的特性，取决你自己怎么使用。

为了减少代码空间和提高性能，开发这可以利用__nonbanked关键字来阻止SDCC产生banked调用/返回。

为安全起见，最好遵循以下规则：

• 确保使用__nonbanked关键字的函数存在于common segment中。
• 对于存在于switched segment中的函数来说，如果只在相同的segment中进行调用，最好声明有__nonbanked关键字。

Bank Allocations

在利用sdcc开发程序时，开发者必须指定每个代码段存在于哪个segment。这个可以利用#pragma directive或者命令行指定。这里主要强调的是链接器不会检查bank溢出。如果你在一个相同的segment里分配了过多的文件并且超过32KB的大小，这样就会出现问题。

Banking in Contiki's 8051-based Ports

contiki的编译系统是banking-aware的，可以看看examples/cc2530dk或者examples/sensinode下的makefile文件，可以看到这一行：HAVE_BANKING=1;

HAVE_BANKING选项主要告诉编译器是否产生bankable的镜像

• 如果HAVE_BANKING没有定义，并且支持uIPv6，那么HAVE_BANKING将会置为1，否则将会置0.
• 如果指定需要banking，系统将会利用huge模式编译整个系统
• 如果没有指定banking，系统利用large模式编译整个系统

当编译结束，可以看到一些信息输出，这些信息可以帮助你检查分配情况，以防有错误发生。

Code Segment Sizes and memory footprint

最后输出的信息会类似于如下所示。

看看上面的信息可以判断出是否有bank溢出或者其他问题:

• Decimal下列出的值的大小必须低于32768
• 对于sensinode设备，BANK3的值必须低于30720

Automatic Bank Allocation

将利用sdcc banking进行编译时，分配器将会自动满足segment的大小，你只需要做一件事，就是在写新的中断服务程序时，告诉分配器这个程序必须位于HOME bank中。有两种方法：

• 将文件以intr.c结尾，如foo_intr.c或者bar-intr.c。分配器碰到以intr.c结尾的文件时，将会自动将其他分配到HOME bank空间中
• 但是如果你不想改变文件名如foo.c（不希望以intr.c结尾）,那么在cpu文件夹下的segment.rules文件中加入一行：HOME foo.c即可

但是如果你不想写新的ISRs,那么你不用担心任何东西。

在编译的最后阶段，当分配器运行后，会产生如下信息：

以Preallocations开始的一行后面列出了不能或者没有被移出的字节数目。例如，包含ISRs的标准库或者文件必须停留在HOME segment中。

Segment - max - alloc 相对来说比较重要，最后一列将会列出在编译结束后在每个segement中的字节数大小。这里列出的值的大小必须等需Decimal下列出的值的大小，

reference list

1. The SDCC manual. Look for the section entitled 'Bankswitching'.
2. Section 2.2.2 'CPU Memory Space' of the 'CC253x/4x User Guide (Rev. C)' (Literature Number: SWRU191C April 2009–Revised January 2012)
3. Section 11.2.2 'CPU Memory Space' of the 'CC2430 Data Sheet (rev. 2.1)' (Literature Number: SWRS036F)