在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)從RAM快速引導技術(shù)

摘    要: 本文以ARM7TDMI為例，對嵌入式系統(tǒng)從ROM和RAM引導的特點及技術(shù)實現(xiàn)進行了比較，對異常和中斷概念給出了詳細的辨析，介紹了如何實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)從RAM快速引導技術(shù)。
關(guān)鍵詞: 引導；異常向量；中斷；堆棧；鏡像

前言
嵌入式系統(tǒng)是以各種嵌入式微處理器為內(nèi)核，運行RTOS的面向應用的計算機控制系統(tǒng)，也是SOC技術(shù)的一個重要分支。ARM 是一個IP(知識產(chǎn)權(quán))公司，以arm體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的各種RISC 微處理器針對不同應用領(lǐng)域提供了不同的指令集(ARM、THUMB、DSP、XSCALE)可以為各種實時應用提供靈活的選擇。
在研制開發(fā)基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)過程中，如何讓系統(tǒng)正常快速的啟動是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文主要分析討論嵌入式系統(tǒng)啟動的問題。相關(guān)代碼以ArmStd2.51IDE環(huán)境為參考。

幾個相關(guān)的概念
Arm/Thumb狀態(tài)
Arm，Thumb分別是ARM處理器的32/16bits的指令集，對應處理器的兩種執(zhí)行狀態(tài)。
異常(Exception)
由內(nèi)/外部源引起的需要處理器干預的一個事件，每種異常模式有自己的特殊功能寄存器，堆棧。處理異常需要保護處理器的當前狀態(tài)，以便在異常處理后可以恢復執(zhí)行。當異常發(fā)生時，系統(tǒng)強制從固定的地址執(zhí)行程序,                                                如表1 所示。
無論在Arm/Thumb狀態(tài)進入異常，處理程序都是在Arm狀態(tài)下執(zhí)行，PC->R14和CPSR->SPSR保存PC和處理器狀態(tài)，返回時CPSR->SPSR,R14->PC。
中斷處理
ARM提供了兩種中斷源IRQ，F(xiàn)IQ，發(fā)生中斷時，會進入相應的IRQ，F(xiàn)IQ異常模式，然后異常處理程序會識別不同的中斷，調(diào)用相應的中斷服務程序。所以中斷只是異常的一個子集。未用中斷通常指向一個啞函數(shù)。
在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中應正確的辨析異常和中斷。

系統(tǒng)啟動(start-up)
嵌入式系統(tǒng)的應用程序通常都是固化在ROM中運行。通常用匯編語言編寫啟動程序完成系統(tǒng)硬件和軟件運行環(huán)境的初始化。啟動程序與應用程序一起固化在ROM中。系統(tǒng)在上電和復位會跳到復位異常向量入口地址處。
在目標文件中，代碼、數(shù)據(jù)放在不同的段中。源文件編譯鏈接生成含.data、.text段的目標文件，且鏈接器生成的.data段是以系統(tǒng)RAM為參考地址，故在系統(tǒng)啟動時需要拷貝ROM中的.data段到RAM，以完成對RAM的初始化。拷貝從.text結(jié)束位置開始，一般以2kbytes對齊取到下一個2kbytes，確定data的初始位置。這樣，就定位.data 、.text段在鏈接文件中所確定的鏈接位置。
CPU對ROM或Flash ROM訪問速度慢，在一定程度上降低了系統(tǒng)的性能。當ROM在地址0x0時，ARM內(nèi)核使用ROM 0x0 到0x1c作為異常向量區(qū)，那么當異常發(fā)生的時候，CPU訪問ROM區(qū)的入口。我們可以在RAM建立異常向量表鏡像，這樣可以提高系統(tǒng)的性能(鏡像建立)。最優(yōu)的方法，就是讓系統(tǒng)RAM配置在0x0，把初始化程序放在RAM中運行(RAM啟動)，建立異常向量表的自己對應關(guān)系。
為了實現(xiàn)異常的快速處理：
1、 在圖2，虛線框中表示的是當RAM在0x0時的情況，這是一種直接對應的關(guān)系。直接在向量入口處放置sys_**_handler處理程序。
2、 當ROM在0x0時需要建立了一種鏡像的關(guān)系。地址指針表示對應的數(shù)據(jù)存儲單元的物理地址，**_hander表示對應的處理程序在ROM的入口。Handle**是物理的存儲單元地址，里面放置了處理程序的入口指針。異常發(fā)生時經(jīng)過**_handler---handler**---sys_**_handler的過程。Handler**定義在RAM中。

圖1 在文件、ROM、運行時段的分配


圖2 ROM/RAM 啟動時異常向量表比較


圖3 從RAM啟動時的過程

啟動過程分析
設(shè)置異常向量 
ARM7要求中斷向量表必須設(shè)置在從0地址開始，連續(xù)8