ARM啟動代碼

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基于ARM的芯片多數為復雜的片上系統,這種復雜系統里的多數硬件模塊都是可配置的,需要由軟件來設置其需要的工作狀態。因此在用戶的應用程序之前,需要由專門的一段代碼來完成對系統的初始化。由于這類代碼直接面對處理器內核和硬件控制器進行編程,一般都是用匯編語言。一般通用的內容包括:
中斷向量表
初始化存儲器系統
初始化堆棧
初始化有特殊要求的斷口,設備
初始化用戶程序執行環境
改變處理器模式
呼叫主應用程序
中斷向量表
ARM要求中斷向量表必須放置在從0地址開始,連續8X4字節的空間內。
每當一個中斷發生以后,ARM處理器便強制把PC指針置為向量表中對應中斷類型的地址值。因為每個中斷只占據向量表中1個字的存儲空間,只能放置一條ARM指令,使程序跳轉到存儲器的其他地方,再執行中斷處理。
中斷向量表的程序實現通常如下表示:
AREA Boot ,CODE, READONLY
ENTRY
B  ResetHandler
B  UndefHandler
B  SWIHandler
B  PreAbortHandler
B  DataAbortHandler
B  IRQHandler
B  FIQHandler
其中關鍵字ENTRY是指定編譯器保留這段代碼,因為編譯器可能會認為這是一段亢余代碼而加以優化。鏈接的時候要確保這段代碼被鏈接在0地址處,并且作為整個程序的入口。
初始化存儲器系統
存儲器類型和時序配置
通常Flash和SRAM同屬于靜態存儲器類型,可以合用同一個存儲器端口;而DRAM因為有動態刷新和地址線復用等特性,通常配有專用的存儲器端口。
存儲器端口的接口時序優化是非常重要的,這會影響到整個系統的性能。因為一般系統運行的速度瓶頸都存在于存儲器訪問,所以存儲器訪問時序應盡可能的快;而同時又要考慮到由此帶來的穩定性問題。
存儲器地址分布
一種典型的情況是啟動ROM的地址重映射。
初始化堆棧
因為ARM有7種執行狀態,每一種狀態的堆棧指針寄存器(SP)都是獨立的。因此,對程序中需要用到的每一種模式都要給SP定義一個堆棧地址。方法是改變狀態寄存器內的狀態位,使處理器切換到不同的狀態,讓后給SP賦值。注意:不要切換到User模式進行User模式的堆棧設置,因為進入User模式后就不能再操作CPSR回到別的模式了,可能會對接下去的程序執行造成影響。
這是一段堆棧初始化的代碼示例,其中只定義了三種模式的SP指針:
MRS  R0,CPSR
BIC  R0,R0,#MODEMASK 安全起見,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  fficeffice" />
初始化有特殊要求的端口,設備
初始化應用程序執行環境 。一個ARM映像文件由RO,RW和ZI三個段組成,其中RO為代碼段,RW是已初始化的全局變量,ZI是未初始化的全局變量。 映像一開始總是存儲在ROM/Flash里面的,其RO部分即可以在ROM/Flash里面執行,也可以轉移到速度更快的RAM中執行;而RW和ZI這兩部分是必須轉移到可寫的RAM里去。所謂應用程序執行環境的初始化,就是完成必要的從ROM到RAM的數據傳輸和內容清零。
下面是在ADS下,一種常用存儲器模型的直接實現:
編譯器使用下列符號來記錄各段的起始和結束地址:
|Image$$RO$$Base| :RO段起始地址
|Image$$RO$$Limit| :RO段結束地址加1
|Image$$RW$$Base| :RW段起始地址
|Image$$RW$$Limit| :ZI段結束地址加1
|Image$$ZI$$Base| :ZI段起始地址
|Image$$ZI$$Limit| :ZI段結束地址加1
這些標號的值是根據鏈接器中設置的中ro-base和rw-base的設置來計算的。
初始化用戶執行環境主要是把RO、RW、ZI三段拷貝到指定的位置。

調用主應用程序
當所有的系統初始化工作完成之后,就需要把程序流程轉入主應用程序。最簡單的一種情況是:
IMPORT main
B????? main
LDR  r0,=|Image$$RO$$Limit| 得到RW數據源的起始地址
LDR  r1,=|Image$$RW$$Base| RW區在RAM里的執行區起始地址
LDR  r2,=|Image$$ZI$$Base| ZI區在RAM里面的起始地址
CMP  r0,r1         比較它們是否相等
   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
程序實現了RW數據的拷貝和ZI區域的清零功能。其中引用到的4個符號是由鏈接器第一輸出的。
|Image$$RO$$Limit|:表示RO區末地址后面的地址,即RW數據源的起始地址
|Image$$RW$$Base|:RW區在RAM里的執行區起始地址,也就是編譯器選項RW_Base指定的地址
|Image$$ZI$$Base|:ZI區在RAM里面的起始地址
|Image$$ZI$$Limit|:ZI區在RAM里面的結束地址后面的一個地址
程序先把ROM里|Image$$RO$$Limt|開始的RW初始數據拷貝到RAM里面|Image$$RW$$Base|開始的地址,當RAM這邊的目標地址到達|Image$$ZI$$Base|后就表示RW區的結束和ZI區的開始,接下去就對這片ZI區進行清零操作,直到遇到結束地址|Image$$ZI$$Limit|

改變處理器模式
因為在初始化過程中,許多操作需要在特權模式下才能進行(比如對CPSR的修改),所以要特別注意不能過早的進入用戶模式。
內核級的中斷使能也可以考慮在這一步進行。如果系統中另外存在一個專門的中斷控制器,這么做總是安全的。
呼叫主應用程序
當所有的系統初始化工作完成之后,就需要把程序流程轉入主應用程序。最簡單的一種情況是:
IMPORT main

B   main
直接從啟動代碼跳轉到應用程序的主函數入口,當然主函數名字可以由用戶隨便定義。
在ARM ADS環境中,還另外提供了一套系統級的呼叫機制。
IMPORT __main

B   __main
__main()是編譯系統提供的一個函數,負責完成庫函數的初始化和初始化應用程序執行環境,最后自動跳轉到main()函數。

理解啟動代碼(ADS)
所謂啟動代碼,就是處理器在啟動的時候執行的一段代碼,主要任務是初始化處理器模式,設置堆棧,初始化變量等等.由于以上的操作均與處理器體系結構和系統配置密切相關,所以一般由匯編來編寫.
具體到S64,啟動代碼分成兩部分,一是與ARM7TDMI內核相關的部分,包括處理器各異常向量的配置,各處理器模式的堆棧設置,如有必要,復制向量到RAM,以便remap之后處理器正確處理異常,初始化數據(包括RW與ZI),最后跳轉到Main.二是與處理器外部設備相關的部分,這和廠商的聯系比較大.雖然都采用了ARM7TDMI的內核,但是不同的廠家整合了不同的片上外設,需要不同的初始化,其中比較重要的是初始化WDT,初始化各子系統時鐘,有必要的話,進行remap.這一部分與一般控制器的初始化類似,因此,本文不作重點描述.
在進行分析之前,請確認如下相關概念:
S64片上FLASH起始于0x100000,共64kB,片上RAM起始于0x200000,共16kB.
S64復位之后,程序會從0開始執行,此時FLASH被映射到0地址,因此,S64可以取得指令并執行.顯然,此時還是駐留在0x100000地址.如果使用remap命令,將會把RAM映射到0地址,同樣的這時0地址的內容也只是RAM的鏡像.
S64的FLASH可以保證在最差情況時以30MHz進行單周期訪問,而RAM可以保證在最大速度時的單周期訪問.
OK,以下開始分析啟動代碼.

一,處理器異常
S64將異常向量至于0地址開始的幾個直接,這些是必需要處理的.由于復位向量位于0,也需要一條跳轉指令.具體代碼如下:
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 .

請注意,B指令經匯編后會替換為當前PC值加上一個修正值(+/-),所以這條指令是代碼位置無關的,也就是不管這條指令是在0地址還是在0x100000執行,都能跳轉到指定的位置,而LDR PC,=???將向PC直接裝載一個標號的值,請注意,標號在編譯過后將被替換為一個與RO相對應的值,也就是說,這樣的指令無論在哪里執行,都只會跳轉到一個指定的位置.下面舉一個具體的例子來說明兩者的區別:
假定有如下程序:
RESET
B INIT 或者 LDR PC,=INIT

INIT

其中RESET為起始時的代碼,也就是這條代碼的偏移為0,設INIT的偏移量為offset.如果將這段程序按照RO=0x1000000編譯, 那么B INIT可理解為ADD PC, PC, #offset,而LDR PC,=INIT可被理解為 MOV PC,#(RO+offset) .顯然當系統復位時

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