基于ARM的芯片多数为复杂的片上系统,这种复杂系统里的多数硬件模块都是可配置的,需要由软件来设置其需要的工作状态。因此在用户的应用程序之前,需要由专门的一段代码来完成对系统的初始化。由于这类代码直接面对处理器内核和硬件控制器进行编程,一般都是用汇编语言。一般通用的内容包括：
中断向量表
初始化存储器系统
初始化堆栈
初始化有特殊要求的断口,设备
初始化用户程序执行环境
改变处理器模式
呼叫主应用程序
中断向量表
ARM要求中断向量表必须放置在从0地址开始,连续8X4字节的空间内。
每当一个中断发生以后,ARM处理器便强制把PC指针置为向量表中对应中断类型的地址值。因为每个中断只占据向量表中1个字的存储空间,只能放置一条ARM指令,使程序跳转到存储器的其他地方,再执行中断处理。
中断向量表的程序实现通常如下表示：
AREA Boot ,CODE, READONLY
ENTRY
B ResetHandler
B UndefHandler
B SWIHandler
B PreAbortHandler
B DataAbortHandler
B IRQHandler
B FIQHandler
其中关键字ENTRY是指定编译器保留这段代码,因为编译器可能会认为这是一段亢余代码而加以优化。链接的时候要确保这段代码被链接在0地址处,并且作为整个程序的入口。
初始化存储器系统
存储器类型和时序配置
通常Flash和SRAM同属于静态存储器类型,可以合用同一个存储器端口;而DRAM因为有动态刷新和地址线复用等特性,通常配有专用的存储器端口。
存储器端口的接口时序优化是非常重要的,这会影响到整个系统的性能。因为一般系统运行的速度瓶颈都存在于存储器访问,所以存储器访问时序应尽可能的快;而同时又要考虑到由此带来的稳定性问题。
存储器地址分布
一种典型的情况是启动ROM的地址重映射。
初始化堆栈
因为ARM有7种执行状态,每一种状态的堆栈指针寄存器（SP）都是独立的。因此,对程序中需要用到的每一种模式都要给SP定义一个堆栈地址。方法是改变状态寄存器内的状态位,使处理器切换到不同的状态,让后给SP赋值。注意：不要切换到User模式进行User模式的堆栈设置,因为进入User模式后就不能再操作CPSR回到别的模式了,可能会对接下去的程序执行造成影响。
这是一段堆栈初始化的代码示例,其中只定义了三种模式的SP指针：
MRS R0,CPSR
BIC R0,R0,#MODEMASK 安全起见,屏蔽模式位以外的其他位
ORR R1,R0,#IRQMODE
MSR CPSR_cxfs,R1
LDR SP,=UndefStack
ORR R1,R0,#FIQMODE
MSR CPSR_cxsf,R1
LDR SP,=FIQStack
ORR R1,R0,#SVCMODE
MSR CPSR_cxsf,R1
LDR SP,=SVCStack
初始化有特殊要求的端口,设备
根据各自系统的实际情况，可能某些设备需要做一些配置工作。
初始化应用程序执行环境
一个ARM映像文件由RO，RW和ZI三个段组成，其中RO为代码段，RW是已初始化的全局变量，ZI是未初始化的全局变量。 映像一开始总是存储在ROM／Flash里面的,其RO部分即可以在ROM／Flash里面执行,也可以转移到速度更快的RAM中执行;而RW和ZI这两部分是必须转移到可写的RAM里去。所谓应用程序执行环境的初始化,就是完成必要的从ROM到RAM的数据传输和内容清零。
下面是在ADS下,一种常用存储器模型的直接实现：
编译器使用下列符号来记录各段的起始和结束地址：
|Image$$RO$$Base| ：RO段起始地址
|Image$$RO$$Limit| ：RO段结束地址加1
|Image$$RW$$Base| ：RW段起始地址
|Image$$RW$$Limit| ：ZI段结束地址加1
|Image$$ZI$$Base| ：ZI段起始地址
|Image$$ZI$$Limit| ：ZI段结束地址加1
这些标号的值是根据链接器中设置的中ro-base和rw-base的设置来计算的。
初始化用户执行环境主要是把RO、RW、ZI三段拷贝到指定的位置。
LDR r0,=|Image$$RO$$Limit| 得到RW数据源的起始地址
LDR r1,=|Image$$RW$$Base| RW区在RAM里的执行区起始地址
LDR r2,=|Image$$ZI$$Base| ZI区在RAM里面的起始地址
CMP r0,r1 比较它们是否相等
BEQ %F1
0 CMP r1,r3
LDRCC r2,[r0],#4
STRCC r2,[r1],#4
BCC %B0
1 LDR r1,=|Image$$ZI$$Limit|
MOV r2,#0
2 CMP r3,r1
STRCC r2,[r3],#4
BCC %B2
程序实现了RW数据的拷贝和ZI区域的清零功能。其中引用到的4个符号是由链接器第一输出的。
|Image$$RO$$Limit|：表示RO区末地址后面的地址,即RW数据源的起始地址
|Image$$RW$$Base|：RW区在RAM里的执行区起始地址,也就是编译器选项RW_Base指定的地址
|Image$$ZI$$Base|：ZI区在RAM里面的起始地址
|Image$$ZI$$Limit|：ZI区在RAM里面的结束地址后面的一个地址
程序先把ROM里|Image$$RO$$Limt|开始的RW初始数据拷贝到RAM里面|Image$$RW$$Base|开始的地址,当RAM这边的目标地址到达|Image$$ZI$$Base|后就表示RW区的结束和ZI区的开始,接下去就对这片ZI区进行清零操作,直到遇到结束地址|Image$$ZI$$Limit|
改变处理器模式
因为在初始化过程中,许多操作需要在特权模式下才能进行（比如对CPSR的修改）,所以要特别注意不能过早的进入用户模式。
内核级的中断使能也可以考虑在这一步进行。如果系统中另外存在一个专门的中断控制器,这么做总是安全的。
呼叫主应用程序
当所有的系统初始化工作完成之后,就需要把程序流程转入主应用程序。最简单的一种情况是：
IMPORT main
B main
直接从启动代码跳转到应用程序的主函数入口,当然主函数名字可以由用户随便定义。
在ARM ADS环境中,还另外提供了一套系统级的呼叫机制。
IMPORT __main
B __main
__main()是编译系统提供的一个函数,负责完成库函数的初始化和初始化应用程序执行环境,最后自动跳转到main()函数。
理解启动代码(ADS)
所谓启动代码,就是处理器在启动的时候执行的一段代码,主要任务是初始化处理器模式,设置堆栈,初始化变量等等.由于以上的操作均与处理器体系结构和系统配置密切相关,所以一般由汇编来编写.
具体到S64,启动代码分成两部分,一是与ARM7TDMI内核相关的部分,包括处理器各异常向量的配置,各处理器模式的堆栈设置,如有必要,复制向量到RAM,以便remap之后处理器正确处理异常,初始化数据(包括RW与ZI),最后跳转到Main.二是与处理器外部设备相关的部分,这和厂商的联系比较大.虽然都采用了ARM7TDMI的内核,但是不同的厂家整合了不同的片上外设,需要不同的初始化,其中比较重要的是初始化WDT,初始化各子系统时钟,有必要的话,进行remap.这一部分与一般控制器的初始化类似,因此,本文不作重点描述.
在进行分析之前,请确认如下相关概念:
S64片上FLASH起始于0x100000,共64kB,片上RAM起始于0x200000,共16kB.
S64复位之后,程序会从0开始执行,此时FLASH被映射到0地址,因此,S64可以取得指令并执行.显然,此时还是驻留在0x100000地址.如果使用remap命令,将会把RAM映射到0地址,同样的这时0地址的内容也只是RAM的镜像.
S64的FLASH可以保证在最差情况时以30MHz进行单周期访问,而RAM可以保证在最大速度时的单周期访问.
OK,以下开始分析启动代码.
一,处理器异常
S64将异常向量至于0地址开始的几个直接,这些是必需要处理的.由于复位向量位于0,也需要一条跳转指令.具体代码如下:
RESET
B SYSINIT ; Reset
B UDFHANDLER ; UNDEFINED
B SWIHANDLER ; SWI
B PABTHANDLER ; PREFETCH ABORT
B DABTHANDLER ; DATA ABORT
B . ; RESERVED
B VECTORED_IRQ_HANDLER
B . ; ADD FIQ CODE HERE
UDFHANDLER
B .
SWIHANDLER
B .
PABTHANDLER
B .
DABTHANDLER
B .
请注意,B指令经汇编后会替换为当前PC值加上一个修正值(+/-),所以这条指令是代码位置无关的,也就是不管这条指令是在0地址还是在0x100000执行,都能跳转到指定的位置,而LDR PC,=???将向PC直接装载一个标号的值,请注意,标号在编译过后将被替换为一个与RO相对应的值,也就是说,这样的指令无论在哪里执行,都只会跳转到一个指定的位置.下面举一个具体的例子来说明两者的区别:
假定有如下程序:
RESET
B INIT 或者 LDR PC,=INIT
…
INIT
…
其中RESET为起始时的代码,也就是这条代码的偏移为0,设INIT的偏移量为offset.如果将这段程序按照RO=0x1000000编译, 那么B INIT可理解为ADD PC, PC, #offset,而LDR PC,=INIT可被理解为 MOV PC,#(RO+offset) .显然当系统复位时,程序从0开始运行,而0地址有FLASH的副本,执行B INIT将把PC指向位于0地址处的镜像代码位置,也即INIT;如果执行LDR PC,=INIT将会将PC直接指向位于FLASH中的原始代码.因此以上两者都能正确运行.下面将RO设置为0x200000,编译后生成代码,还是得烧写到FLASH中,也就是还是0x100000,系统复位后从0地址执行,还是FLASH的副本,此时执行B INIT,将跳到副本中的INIT位置执行,此处有对应的代码;但是如果执行LDR PC,=INIT,将向PC加载0x200000+offset,这将使得PC跳到RAM中,而此时由于代码没有复制,RAM中的指定位置并没有代码,程序无法运行.
二,处理器模式
ARM的处理器可工作于多种模式,不同模式有不同的堆栈 ,以下设置各模式及其堆栈.
预定义一些参数:
MODUSR EQU 0x10
MODSYS EQU 0x1F
MODSVC EQU 0x13
MODABT EQU 0x17
MODUDF EQU 0x1B
MODIRQ EQU 0x12
MODFIQ EQU 0x11
IRQBIT EQU 0x80
FIQBIT EQU 0x40
RAMEND EQU 0x00204000 ; S64 : 16KB RAM
VECTSIZE EQU 0x100 ;
UsrStkSz EQU 8 ; size of USR stack
SysStkSz EQU 128 ; size of SYS stack
SvcStkSz EQU 8 ; size of SVC stack
UdfStkSz EQU 8 ; size of UDF stack
AbtStkSz EQU 8 ; size of ABT stack
IrqStkSz EQU 128 ; size of IRQ stack
FiqStkSz EQU 16 ; size of FIQ stack
修改这些值即可修改相应模式堆栈的尺寸.
以下为各模式代码:
SYSINIT
;
MRS R0,CPSR
BIC R0,R0,#0x1F
MOV R2,#RAMEND
ORR R1,R0,#(MODSVC :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)
MSR cpsr_cxsf,R1 ; ENTER SVC MODE
MOV sp,R2
SUB R2,R2,#SvcStkSz
ORR R1,R0,#(MODFIQ :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)
MSR CPSR_cxsf,R1 ; ENTER FIQ MODE
MOV sp,R2
SUB R2,R2,#FiqStkSz
ORR R1,R0,#(MODIRQ :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)
MSR CPSR_cxsf,R1 ; ENTER IRQ MODE
MOV sp,R2
SUB R2,R2,#IrqStkSz
ORR R1,R0,#(MODUDF :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)
MSR CPSR_cxsf,R1 ; ENTER UDF MODE
MOV sp,R2
SUB R2,R2,#UdfStkSz
ORR R1,R0,#(MODABT :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)
MSR CPSR_cxsf,R1 ; ENTER ABT MODE
MOV sp,R2
SUB R2,R2,#AbtStkSz
;ORR R1,R0,#(MODUSR :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)
;MSR CPSR_cxsf,R1 ; ENTER USR MODE
;MOV sp,R2
;SUB R2,R2,#UsrStkSz
ORR R1,R0,#(MODSYS :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)
MSR CPSR_cxsf,R1 ; ENTER SYS MODE
MOV sp,R2 ;
三,初始化变量
编译完成之后,连接器会生成三个基本的段,分别是RO,RW,ZI,并会在image中顺序摆放.显然,RW,ZI在运行开始时并不位于指定的RW位置,因此必须初始化
LDR R0,=|Image$$RO$$Limit|
LDR R1,=|Image$$RW$$Base|
LDR R2,=|Image$$ZI$$Base|
1
CMP R1,R2
LDRLO R3,[R0],#4
STRLO R3,[R1],#4
BLO %B1
MOV R3,#0
LDR R1,=|Image$$ZI$$Limit|
2
CMP R2,R1
STRLO R3,[R2],#4
BLO %B2
四,复制异常向量
由于代码于RAM运行时,有明显的速度优势,而且变量可以动态配置,因此可以通过remap将RAM映射到0,使得出现异常时ARM从RAM中取得向量.
IMPORT |Image$$RO$$Base|
IMPORT |Image$$RO$$Limit|
IMPORT |Image$$RW$$Base|
IMPORT |Image$$RW$$Limit|
IMPORT |Image$$ZI$$Base|
IMPORT |Image$$ZI$$Limit|
COPY_VECT_TO_RAM
LDR R0,=|Image$$RO$$Base|
LDR R1,=SYSINIT
LDR R2,=0x200000 ; RAM START
0
CMP R0,R1
LDRLO R3,[R0],#4
STRLO R3,[R2],#4
BLO %B0
这段程序将SYSINIT之前的代码,也就是异常处理函数,全部复制到RAM中, 这就意味着不能将RW设置为0x200000,这样会使得向量被冲掉.
五,在RAM中运行
如果有必要,且代码足够小,可以将代码置于RAM中运行,由于RAM中本身没有代码,就需要将代码复制到RAM中:
COPY_BEGIN
LDR R0,=0x200000
LDR R1,=RESET ; =|Image$$RO$$Base|
CMP R1,R0 ;
BLO COPY_END ;
ADR R0,RESET
ADR R2,COPY_END
SUB R0,R2,R0
ADD R1,R1,R0
LDR R3,=|Image$$RO$$Limit|
3
CMP R1,R3
LDRLO R4,[R2],#4
STRLO R4,[R1],#4
BLO %B3
LDR PC,=COPY_END
COPY_END
程序首先取得RESET的连接地址,判断程序是否时是在RAM中运行,方法是与RAM起始地址比较,如果小于,那么就跳过代码复制.
在复制代码的时候需要注意,在这段程序结束之前的代码没有必要复制,因为这些代码都已经执行过了,所以,先取得COPY_END,作为复制起始地址,然后计算其相对RESET的偏移,然后以RO的值加上这个偏移,就是复制目的地的起始地址,然后开始复制.
六,开始主程序
以上步骤完成,就可以跳转到main运行
IMPORT Main
LDR PC,=Main
B .
七,器件初始化
主程序首先要进行器件的初始化,对S64而言,应该先初始化WDT,因为默认情况下,WDT是打开的,然后是各设备的时钟分配,最后应该remap
|
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