ARM處理器啟動(dòng)代碼的分析與設(shè)計(jì)

1、ARM處理器啟動(dòng)代碼的分析與設(shè)計(jì) ARM體系結(jié)構(gòu) 目前，ARM系列的通用32位RISC微處理器有ARM 、 ARM 、 ARM 、 ARM 等多個(gè)產(chǎn)品，這些處理器可以工作于 7 種模式下。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(shí)，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(huì)導(dǎo)致一次異常。對(duì)于 System 模式，任何異常都不會(huì)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

2、要是用于有訪問系統(tǒng)資源請(qǐng)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(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入對(duì)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(shí)候與用戶模式下的程序發(fā)生沖突。 在任意一種處理器模式中，都使用同一個(gè)寄存器來標(biāo)識(shí)當(dāng)前處理器的工作模式，這個(gè)寄存器叫做CPSR( 當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器 ), 它的 04 位用來表示CPU 模式，而且在每一種處理器異常模式下，都有一個(gè)對(duì)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(shí)，通過一條

3、簡(jiǎn)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。 啟動(dòng)代碼的設(shè)計(jì) 啟動(dòng)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(duì)系統(tǒng)的各種控制寄存器做初始化、對(duì)CPU 的外部存儲(chǔ)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(duì)時(shí)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(hào)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

4、。整個(gè)過程的流程圖如圖 1 所示。 圖 1 啟動(dòng)代碼流程圖 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(gè)處理器模式分配堆?？臻g。以下以 FIQ 模式下的堆棧設(shè)置為例說明： ORRr1, r0, #LOCKOUT | FIQ_MODE ；把模式放在 r1 中， LOCKOUT 用來屏蔽中斷位； MSRcpsr, r1 ；改變 CPU 的 CPSR 寄存器，進(jìn)入到指定的 FIQ 模式； MSRspsr, r2 ；保存前一模式； LDRsp, =FIQ_STACK ；把 FIQ 模式下的堆棧起始值賦給當(dāng)前的 SP ， FIQ_STACK 是分配給 FIQ 模式堆?？臻g ( 比如說 1K

5、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(huì)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(shí)間等等，這些可以參照 S3C4510B 芯片的用戶手冊(cè)。特殊寄存器的設(shè)置主要是針對(duì) I/O 口，比方說設(shè)定幾個(gè) 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(dòng)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(chǔ)單元沒有重新映射之前ROM 基址的設(shè)定應(yīng)該為零地址。 零初始化區(qū)。內(nèi)存

6、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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(gè)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(dòng)代碼燒錄到 EEPROM 中運(yùn)行時(shí)就需要把 ROM 的地址定

7、義到零地址，所以程序的入口處如下： 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(chǔ)單元，把RAM 的地址重新設(shè)定為零地址。映射就是把啟動(dòng)代碼從ROM(EEPROM 或者 Flash) 拷貝到SDRAM 運(yùn)行，同時(shí)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(duì)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(dòng)的時(shí)候必然也會(huì)對(duì)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(gè)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(duì)時(shí)鐘、 RS232 端口進(jìn)行初始化，