ARM處理器啟動代碼的分析與設計

2004年10月A版

摘   要： 本文以ARM7TDMI作內核的網絡控制器S3C4510B為例，簡要介紹了ARM體系結構及其特點，重點闡述了ARM處理器啟動程序底層的組成結構和各部分的具體內容。
關鍵詞： ARM內核；啟動代碼；中斷向量；堆棧隨著對高處理能力、網絡通信、實時多任務，超低功耗這些需求的增長，傳統8位處理器已經不能滿足新產品的要求了，高端嵌入式處理器已經進入了國內開發人員的視野，并在國內得到了普遍的重視和應用。ARM是目前嵌入式領域應用最廣泛的RISC微處理器結構，以其低成本、低功耗、高性能等優點占據了嵌入式系統應用領域的領先地位。本文應用ARM處理器S3C4510B開發設計了四路E1收發器，參考一些文獻對ARM處理器的啟動代碼進行了編寫,結合在實際應用時編寫調試的經驗進行了總結。

ARM體系結構
目前，ARM系列的通用32位RISC微處理器有ARM７、ARM９、ARM９Ｅ、ARM１０等多個產品，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。大部分應用程序都在User模式下運行，當處理器處于User模式下時，執行的程序無法訪問一些被保護的系統資源，以利于操作系統控制系統資源的使用，也不能改變模式，否則就會導致一次異常。對于System模式，任何異常都不會導致進入這一模式，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資源請求而又避免使用額外的寄存器的操作系統任務。在特權模式下，它們可以完全訪問系統資源，可以自由地改變模式。在處理特定的異常時，系統進入對應的異常模式下。這5種異常模式都有各自額外的寄存器，用于避免在發生異常的時候與用戶模式下的程序發生沖突。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識當前處理器的工作模式，這個寄存器叫做CPSR(當前程序狀態寄存器),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，都有一個對應的SPSR(緩存程序狀態寄存器)，用來保存進入異常模式前的CPSR的值。SPSR的作用就是當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進入異常模式前的CPSR，該值保存在當前異常模式的SPSR中。

圖1  啟動代碼流程圖

啟動代碼的設計
啟動代碼類似于電腦中的BIOS，它從系統上電開始接管CPU，依次需要負責初始化 CPU在各種模式下的堆棧空間、設定CPU的內存映射、對系統的各種控制寄存器做初始化、對CPU的外部存儲器進行初始化、設定各外圍設備的基地址、創建正確的中斷向量表、為C代碼執行創建ZI(零創建)區，然后進入到C代碼。 在C代碼中繼續對時鐘、RS232端口進行初始化，然后打開系統中斷允許位。最后進入到應用代碼中執行，執行期間響應各種不同的中斷信號并調用預先設置好的中斷服務程序處理這些中斷。
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前的SP，FIQ_STACK是分配給FIQ模式堆棧空間(比如說1K字節)的起始地址。
按這種方式設置其它模式下的堆棧。
DRAM的初始化根據系統配置信息來決定，因為系統不一定會用到DRAM，但是一定要做SDRAM的初始化。主要的處理內容是ROM和RAM基址的設定、數據總線的寬度、SDRAM的刷新時間等等，這些可以參照S3C4510B芯片的用戶手冊。
特殊寄存器的設置主要是針對I/O口，比方說設定幾個I/O位用做系統狀態指示燈LED。寄存器的設定主要根據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基址的設定應該為零地址。
拷貝(image)主要是為了提高運行速度，編譯生成的映像文件代碼從ROM內拷貝到RAM中去，而程序的執行也就在RAM中。當然，啟動代碼對運行速度的要求不是很嚴格，所以這個拷貝動作可以不用做，讓代碼存放在ROM中，代碼的執行也在ROM中，而運行中所需要的數據在RAM中。
內存的初始化是為C代碼的運行開辟內存區，代碼編譯后會分為三個區：只讀區、可讀可寫區，零初始化區。內存的初始化處理的內容是：當只讀區截止地址等于可讀可寫區基址時，把零初始化區各字節清零；當只讀區截止地址不等于可讀可寫區基址時，如果可讀可寫區基址小于零初始化基址，就從只讀區截止地址處開始把數據拷貝到可讀可寫區基址處，直到到達零初始化基址，然后把零初始化區各字節清零，否則也只用把零初始化區各字節清零。
中斷向量表是用于處理異常情況的，當發生異常時，首先要保存當前程序的返回地址和CPSR寄存器的值，然后進入到相應的異常向量地址，一般來說在異常向量地址是一個跳轉指令，使程序進入相應的異常處理過程。由于中斷向量表要位于系統的零地址，當把啟動代碼燒錄到EEPROM中運行時就需要把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   ；系統上電后進入復位操作，通過這個跳轉指令進入堆棧初始化操作
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，快速響應用戶中斷，支持高速數據傳輸這些跳轉指令的地址是固定的，復位跳轉指令在0X0000，0000，未定義模式的跳轉是0X0000，0004，其它跳轉指令地址依次加4，而且這個順序是不能更改的。
系統重新映射當你為了提高運行速度而把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運行，同時再拷貝完畢以后進行內存的重新映射，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，如果程序進行了映射，這樣就對在線調試帶來了困難，使得在線調試不可以在RAM中進行(如果寫入EEPROM的代碼是映射了的，則在調試器啟動的時候必然也會對程序進行映射，使得程序在調試器中不可以定位到原來的地方,使得調試失敗)。一個折中的方法是，不進行映射，就是說在調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行調試了。

結語
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,就可以進入到C代碼區運行。在C代碼中繼續對時鐘、RS232端口進行初始化，然后打開系統中斷允許位，進入到應用代碼中執行。此程序加載到處理器S3C4510B中經過調試，CPU可以正常啟動，能夠對中斷請求做出及時的響應，上層應用的主代碼可以加載到Flash中，移植實時操作系統RTXC后對多任務的調度控制正常。

參考文獻：
1.  Steve Furber, ‘ARM SoC體系結構’.北京航空航天大學出版社，2002.
2.  馬忠梅, ‘ARM嵌入式處理器結構與應用基礎’, 北京航空航天大學出版社，2003.
3. 李駒光, ‘ARM應用系統開發詳解—基于S3C4510B的系統設計’, 清華大學出版社，2003.