ARM處理器啟動代碼的分析與設(shè)計

2004年10月A版

摘   要： 本文以ARM7TDMI作內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)控制器S3C4510B為例，簡要介紹了ARM體系結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了ARM處理器啟動程序底層的組成結(jié)構(gòu)和各部分的具體內(nèi)容。
關(guān)鍵詞： ARM內(nèi)核；啟動代碼；中斷向量；堆棧隨著對高處理能力、網(wǎng)絡(luò)通信、實(shí)時多任務(wù)，超低功耗這些需求的增長，傳統(tǒng)8位處理器已經(jīng)不能滿足新產(chǎn)品的要求了，高端嵌入式處理器已經(jīng)進(jìn)入了國內(nèi)開發(fā)人員的視野，并在國內(nèi)得到了普遍的重視和應(yīng)用。ARM是目前嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的RISC微處理器結(jié)構(gòu)，以其低成本、低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。本文應(yīng)用ARM處理器S3C4510B開發(fā)設(shè)計了四路E1收發(fā)器，參考一些文獻(xiàn)對ARM處理器的啟動代碼進(jìn)行了編寫,結(jié)合在實(shí)際應(yīng)用時編寫調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)。

ARM體系結(jié)構(gòu)
目前，ARM系列的通用32位RISC微處理器有ARM７、ARM９、ARM９Ｅ、ARM１０等多個產(chǎn)品，這些處理器可以工作于7種模式下，如表1所示。
除User模式以外的其它模式都叫做特權(quán)模式，除User和System以外的其它5種模式叫做異常模式。大部分應(yīng)用程序都在User模式下運(yùn)行，當(dāng)處理器處于User模式下時，執(zhí)行的程序無法訪問一些被保護(hù)的系統(tǒng)資源，以利于操作系統(tǒng)控制系統(tǒng)資源的使用，也不能改變模式，否則就會導(dǎo)致一次異常。對于System模式，任何異常都不會導(dǎo)致進(jìn)入這一模式，而且它使用的寄存器和User模式下基本相同，主要是用于有訪問系統(tǒng)資源請求而又避免使用額外的寄存器的操作系統(tǒng)任務(wù)。在特權(quán)模式下，它們可以完全訪問系統(tǒng)資源，可以自由地改變模式。在處理特定的異常時，系統(tǒng)進(jìn)入對應(yīng)的異常模式下。這5種異常模式都有各自額外的寄存器，用于避免在發(fā)生異常的時候與用戶模式下的程序發(fā)生沖突。如表2所示：
在任意一種處理器模式中，都使用同一個寄存器來標(biāo)識當(dāng)前處理器的工作模式，這個寄存器叫做CPSR(當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器),它的0~4位用來表示CPU模式，(如表2所示)而且在每一種處理器異常模式下，都有一個對應(yīng)的SPSR(緩存程序狀態(tài)寄存器)，用來保存進(jìn)入異常模式前的CPSR的值。SPSR的作用就是當(dāng)CPU從異常模式退出時，通過一條簡單的匯編指令就能夠恢復(fù)進(jìn)入異常模式前的CPSR，該值保存在當(dāng)前異常模式的SPSR中。

圖1  啟動代碼流程圖

啟動代碼的設(shè)計
啟動代碼類似于電腦中的BIOS，它從系統(tǒng)上電開始接管CPU，依次需要負(fù)責(zé)初始化 CPU在各種模式下的堆?？臻g、設(shè)定CPU的內(nèi)存映射、對系統(tǒng)的各種控制寄存器做初始化、對CPU的外部存儲器進(jìn)行初始化、設(shè)定各外圍設(shè)備的基地址、創(chuàng)建正確的中斷向量表、為C代碼執(zhí)行創(chuàng)建ZI(零創(chuàng)建)區(qū)，然后進(jìn)入到C代碼。 在C代碼中繼續(xù)對時鐘、RS232端口進(jìn)行初始化，然后打開系統(tǒng)中斷允許位。最后進(jìn)入到應(yīng)用代碼中執(zhí)行，執(zhí)行期間響應(yīng)各種不同的中斷信號并調(diào)用預(yù)先設(shè)置好的中斷服務(wù)程序處理這些中斷。
整個過程的流程圖如圖1所示。
堆棧初始化
堆棧的初始化要處理的事情是為處理器的7個處理器模式分配堆棧空間。以下以FIQ模式下的堆棧設(shè)置為例說明：
ORR r1, r0, #LOCKOUT | FIQ_MODE；把模式放在r1中，LOCKOUT用來屏蔽中斷位；
MSR cpsr, r1  ；改變CPU的CPSR寄存器，進(jìn)入到指定的FIQ模式；
MSR spsr, r2   ；保存前一模式；
LDR sp, =FIQ_STACK   ；把FIQ模式下的堆棧起始值賦給當(dāng)前的SP，F(xiàn)IQ_STACK是分配給FIQ模式堆?？臻g(比如說1K字節(jié))的起始地址。
按這種方式設(shè)置其它模式下的堆棧。
DRAM的初始化根據(jù)系統(tǒng)配置信息來決定，因?yàn)橄到y(tǒng)不一定會用到DRAM，但是一定要做SDRAM的初始化。主要的處理內(nèi)容是ROM和RAM基址的設(shè)定、數(shù)據(jù)總線的寬度、SDRAM的刷新時間等等，這些可以參照S3C4510B芯片的用戶手冊。
特殊寄存器的設(shè)置主要是針對I/O口，比方說設(shè)定幾個I/O位用做系統(tǒng)狀態(tài)指示燈LED。寄存器的設(shè)定主要根據(jù)硬件的配置情況而定，值得注意的是由于這段啟動代碼是燒錄到ROM中的，而中斷向量必須位于零地址，所以在存儲單元沒有重新映射之前ROM基址的設(shè)定應(yīng)該為零地址。
拷貝(image)主要是為了提高運(yùn)行速度，編譯生成的映像文件代碼從ROM內(nèi)拷貝到RAM中去，而程序的執(zhí)行也就在RAM中。當(dāng)然，啟動代碼對運(yùn)行速度的要求不是很嚴(yán)格，所以這個拷貝動作可以不用做，讓代碼存放在ROM中，代碼的執(zhí)行也在ROM中，而運(yùn)行中所需要的數(shù)據(jù)在RAM中。
內(nèi)存的初始化是為C代碼的運(yùn)行開辟內(nèi)存區(qū)，代碼編譯后會分為三個區(qū)：只讀區(qū)、可讀可寫區(qū)，零初始化區(qū)。內(nèi)存的初始化處理的內(nèi)容是：當(dāng)只讀區(qū)截止地址等于可讀可寫區(qū)基址時，把零初始化區(qū)各字節(jié)清零；當(dāng)只讀區(qū)截止地址不等于可讀可寫區(qū)基址時，如果可讀可寫區(qū)基址小于零初始化基址，就從只讀區(qū)截止地址處開始把數(shù)據(jù)拷貝到可讀可寫區(qū)基址處，直到到達(dá)零初始化基址，然后把零初始化區(qū)各字節(jié)清零，否則也只用把零初始化區(qū)各字節(jié)清零。
中斷向量表是用于處理異常情況的，當(dāng)發(fā)生異常時，首先要保存當(dāng)前程序的返回地址和CPSR寄存器的值，然后進(jìn)入到相應(yīng)的異常向量地址，一般來說在異常向量地址是一個跳轉(zhuǎn)指令，使程序進(jìn)入相應(yīng)的異常處理過程。由于中斷向量表要位于系統(tǒng)的零地址，當(dāng)把啟動代碼燒錄到EEPROM中運(yùn)行時就需要把ROM的地址定義到零地址，所以程序的入口處如下：
__main                
ENTRY
B       Reset_Handler   ；系統(tǒng)上電后進(jìn)入復(fù)位操作，通過這個跳轉(zhuǎn)指令進(jìn)入堆棧初始化操作
B       Undefined_Handler  ；處理未定義模式。
B       SWI_Handler
B       Prefetch_Handler
B       Abort_Handler
NOP      ; Reserved Vector
B       IRQ_Handler     ；處理器IRQ中斷。
B       FIQ_Handler     ；處理器FIQ中斷，快速響應(yīng)用戶中斷，支持高速數(shù)據(jù)傳輸這些跳轉(zhuǎn)指令的地址是固定的，復(fù)位跳轉(zhuǎn)指令在0X0000，0000，未定義模式的跳轉(zhuǎn)是0X0000，0004，其它跳轉(zhuǎn)指令地址依次加4，而且這個順序是不能更改的。
系統(tǒng)重新映射當(dāng)你為了提高運(yùn)行速度而把ROM的Image拷貝到RAM后，中斷向量表就不是在零地址處，因此要重新映射存儲單元，把RAM的地址重新設(shè)定為零地址。映射就是把啟動代碼從ROM(EEPROM或者Flash)拷貝到SDRAM運(yùn)行，同時再拷貝完畢以后進(jìn)行內(nèi)存的重新映射，把SDRAM映射到原來的ROM地址(0x0000)中，這樣就可以用SDRAM中的代碼寫Flash，使得程序代碼得以更新。但是需要注意的是，如果程序進(jìn)行了映射，這樣就對在線調(diào)試帶來了困難，使得在線調(diào)試不可以在RAM中進(jìn)行(如果寫入EEPROM的代碼是映射了的，則在調(diào)試器啟動的時候必然也會對程序進(jìn)行映射，使得程序在調(diào)試器中不可以定位到原來的地方,使得調(diào)試失敗)。一個折中的方法是，不進(jìn)行映射，就是說在調(diào)試的代碼中不可以使用下載，這樣就可以像普通的代碼一樣進(jìn)行調(diào)試了。

結(jié)語
做完這些初始化后，讓CPU切換到用戶模式下，并把堆棧指針SP指定到用戶堆棧區(qū),就可以進(jìn)入到C代碼區(qū)運(yùn)行。在C代碼中繼續(xù)對時鐘、RS232端口進(jìn)行初始化，然后打開系統(tǒng)中斷允許位，進(jìn)入到應(yīng)用代碼中執(zhí)行。此程序加載到處理器S3C4510B中經(jīng)過調(diào)試，CPU可以正常啟動，能夠?qū)χ袛嗾埱笞龀黾皶r的響應(yīng)，上層應(yīng)用的主代碼可以加載到Flash中，移植實(shí)時操作系統(tǒng)RTXC后對多任務(wù)的調(diào)度控制正常。

參考文獻(xiàn)：
1.  Steve Furber, ‘ARM SoC體系結(jié)構(gòu)’.北京航空航天大學(xué)出版社，2002.
2.  馬忠梅, ‘ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)’, 北京航空航天大學(xué)出版社，2003.
3. 李駒光, ‘ARM應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)詳解—基于S3C4510B的系統(tǒng)設(shè)計’, 清華大學(xué)出版社，2003.