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ARM7在嵌入式應(yīng)用中啟動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)
【摘要】 本文給出了基于ARM7嵌入式系統(tǒng)的啟動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)流程,并針對存儲(chǔ)器控制單元的使用以及目標(biāo)文件的分布裝載等技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析。 【關(guān)鍵詞】嵌入式系統(tǒng)、啟動(dòng)程序、ARM7嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，隨著嵌入式系統(tǒng)不斷深入到人們生活中的各個(gè)領(lǐng)域，嵌入式處理器得到前所未有的飛速發(fā)展。
典型的32位RISC芯片──ARM處理器,不論是在PDA,STB,DVD等消費(fèi)類電子產(chǎn)品中,還是在GPS,航空,勘探,測量等軍方產(chǎn)品中都得到了廣泛的應(yīng)用。越來越多的芯片廠商早已看好ARM的前景，如Intel，NS，Ateml，Philips，NEC，CirrusLogic等公司都有相應(yīng)的產(chǎn)品。在1999年，ARM突破1.5億個(gè)，市場份額超過了50%，已經(jīng)成為業(yè)界的龍頭。
在我們研制開發(fā)基于ARM7的嵌入式系統(tǒng)過程中，發(fā)現(xiàn)技術(shù)難點(diǎn)主要在于系統(tǒng)啟動(dòng)程序的編寫，為此本文詳細(xì)論述了在ARM7基礎(chǔ)上開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時(shí)啟動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)。
1.啟動(dòng)程序流程
嵌入式系統(tǒng)的資源有限,程序通常都是固化在ROM中運(yùn)行。ROM中程序執(zhí)行前，需要對系統(tǒng)硬件和軟件運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行初始化，這些工作由用匯編語言編寫的啟動(dòng)程序完成。
啟動(dòng)程序是嵌入式程序的開頭部分，應(yīng)與應(yīng)用程序一起固化在ROM中，并首先在系統(tǒng)上運(yùn)行。它應(yīng)包含進(jìn)各模塊中可能出現(xiàn)的所有段類，并合理安排它們的次序。
寫好啟動(dòng)程序是設(shè)計(jì)好嵌入式程序的關(guān)鍵,系統(tǒng)啟動(dòng)程序所執(zhí)行的操作依賴于正在開發(fā)其軟件的系統(tǒng)，一般流程如下:
2．詳細(xì)步驟
⑴設(shè)置入口指針
啟動(dòng)程序首先必須定義入口指針，而且整個(gè)應(yīng)用程序只有一個(gè)入口指針。
ARM7要求中斷向量表必須設(shè)置在從0地址開始，連續(xù)8×4字節(jié)的空間，分別是復(fù)位、未定義指令錯(cuò)誤、軟件中斷、預(yù)取指令錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)存取錯(cuò)誤、IRQ、FIQ和一個(gè)保留的中斷向量。
如果ROM定位于0地址，向量表包含一系列指令跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序，否則向量必須被動(dòng)態(tài)初始化�？梢栽趩�(dòng)程序中添加一段代碼，使其在運(yùn)行時(shí)將向量表拷貝到0地址開始的存儲(chǔ)器空間。
對于各未用中斷，使其指向一個(gè)只含返回指令的啞函數(shù)，以防止錯(cuò)誤中斷引起系統(tǒng)的混亂。
系統(tǒng)堆棧初始化取決于用戶使用了哪些中斷，以及系統(tǒng)需要處理哪些錯(cuò)誤類型。一般來說管理者堆棧必須設(shè)置，如果使用了
IRQ中斷，則IRQ堆棧也必須設(shè)置。如果系統(tǒng)使用了
DRAM或其它外設(shè)，需要設(shè)置相關(guān)的寄存器，以確定其刷新頻率，數(shù)據(jù)總線寬度等信息。
有些芯片可通過寄存器編程初始化存儲(chǔ)器系統(tǒng)，而對于較復(fù)雜系統(tǒng)通常集成有MMU來管理內(nèi)存空間。
⑸
如有必要改變處理器模式、狀態(tài)
如果系統(tǒng)應(yīng)用程序是運(yùn)行在用戶模式下，可在此處將系統(tǒng)改為用戶模式并初始化用戶堆棧指針。
- 初始化C語言所需的存儲(chǔ)器空間。
- 呼叫C程序。
為正確運(yùn)行應(yīng)用程序，在初始化期間應(yīng)將系統(tǒng)需要讀寫的數(shù)據(jù)和變量從
ROM拷貝到RAM里；一些要求快速響應(yīng)的程序，如中斷處理程序，也需要在RAM中運(yùn)行；如果使用FLASH，對FLASH的擦除和寫入操作也一定要在RAM里運(yùn)行。ARM公司軟件開發(fā)工具包中的鏈接器提供了分布裝載功能，可以實(shí)現(xiàn)這一目的。
ARM有兩種指令集:16位THUMB指令集和32位ARM指令集。使用16位的存儲(chǔ)器可以降低成本， 在這種情況下，Thumb指令集的整體執(zhí)行速度比ARM 32位指令集快，而且提高了代碼密度，所以一般用Thumb編譯器將C語言程序編譯成16位的代碼。 處理器一開始總在arm狀態(tài)，可使用BX指令轉(zhuǎn)換到thumb狀態(tài)呼叫C程序。要注意的是用Ｃ語言編寫嵌入式程序時(shí)，要避免使用不能被固化到ＲＯＭ中的庫函數(shù)。
3．技術(shù)難點(diǎn)分析
⑴.MMU的使用
MMU是存儲(chǔ)器管理單元的縮寫，是用來管理虛擬內(nèi)存系統(tǒng)的器件。MMU通常是CPU的一部分，本身有少量存儲(chǔ)空間存放從虛擬地址到物理地址的匹配表。此表稱作TLB(轉(zhuǎn)換旁置緩沖區(qū))。所有數(shù)據(jù)請求都送往MMU，由MMU決定數(shù)據(jù)是在RAM內(nèi)還是在大容量存儲(chǔ)器設(shè)備內(nèi)。如果數(shù)據(jù)不在存儲(chǔ)空間內(nèi)，MMU將產(chǎn)生頁面錯(cuò)誤中斷。
MMU的兩個(gè)主要功能是:
- 將虛地址轉(zhuǎn)換成物理地址。
- 控制存儲(chǔ)器存取允許。 MMU關(guān)掉時(shí)，虛地址直接輸出到物理地址總線。
在實(shí)踐中，使用MMU解決了如下幾個(gè)問題：
①使用DRAM作為大容量存儲(chǔ)器時(shí)，如果DRAM的行列是非平方的，會(huì)導(dǎo)致該DRAM的物理地址不連續(xù)，這將給程序的編寫調(diào)試造成極大不便，而適當(dāng)配置MMU可將其轉(zhuǎn)換成虛擬地址連續(xù)的空間。
②ARM內(nèi)核的中斷向量表要求放在0地址， 對于ROM在0地址的情況，無法調(diào)試中斷服務(wù)程序，所以在調(diào)試階段有必要將可讀寫的存儲(chǔ)器空間映射到0地址。
③系統(tǒng)的某些地址段是不允許被訪問的，否則會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)料的后果,為了避免這類錯(cuò)誤,可以通過MMU匹配表的設(shè)置將這些地址段設(shè)為用戶不可存取類型。
啟動(dòng)程序中生成的匹配表中包含地址映射，存儲(chǔ)頁大小(1M,64K,或4K)以及是否允許存取等信息。
例如:目標(biāo)板上的16兆DRAM的物理地址區(qū)間為0xc000，0000～0xc07f，ffff;0xc100，0000～0xc17f，ffff;16兆ROM的虛擬地址區(qū)間為:0x0000，0000～0x00ff，ffff。匹配表配置如下:
可以看到左邊是連續(xù)的虛擬地址空間，右邊是不連續(xù)的物理地址空間，而且將DRAM映射到了0地址區(qū)間。 MMU通過虛擬地址和頁面表位置信息，按照轉(zhuǎn)換邏輯獲得對應(yīng)物理地址，輸出到地址總線上。
應(yīng)注意到的是使能MMU后，程序繼續(xù)運(yùn)行，但是對于程序員來說程序計(jì)數(shù)器的指針已經(jīng)改變，指向了ROM所對應(yīng)的虛擬地址。
⑵目標(biāo)文件的分布裝載分析
首先創(chuàng)建一個(gè)文本文件，稱為分布裝載描述文件。它為應(yīng)用程序的各部分指定裝載區(qū)間和執(zhí)行區(qū)間。
舉例如下:
FLASH 0x01000000 0x011fffff ；2M FLASH
{
FLASH 0x01000000
{
boot.o(BOOT
，+First)* (+RO)
}
DRAM 0x00000000
{
vector.0(VECTOR
，+First)int_handler.o (+RO)
* (+RW
，+ZI)
}
}
在ARM鏈接器的命令行里加入“-scov description-file –scf”或“-scatter description-file”，編譯鏈接后，將產(chǎn)生一個(gè)分布裝載文件。
鏈接器同時(shí)產(chǎn)生一組符號，給出每個(gè)分布描述文件中命名的區(qū)間的長度，裝載地址和執(zhí)行地址。由于鏈接器和C庫都沒有將代碼從它的裝載區(qū)間拷貝到執(zhí)行區(qū)間，或創(chuàng)建一個(gè)零初始化區(qū)域的功能，所以要由應(yīng)用程序員利用這組符號產(chǎn)生的信息完成這項(xiàng)工作，這是在呼叫C程序之前必須完成的，舉例如下：
LDR r0, = |Load$$DRAM$$Base|
LDR r1, = |Image$$DRAM$$Base|
CMP r0, r1 ;
檢查裝載地址和執(zhí)行地址是否相同BEQ do_zi_init ;
相同，則不拷貝該區(qū)間，初始化零數(shù)據(jù)區(qū)MOV r2, r1
； 不相同，將裝載區(qū)拷貝到執(zhí)行區(qū)LDR r4, = |Image$$DRAM$$length|
ADD r2, r2, r4
BL copy
do_zi_init
LDR r1, = |Image$$DRAM$$ZI$$Base|
MOV r2, r1
LDR r4, = |Image$$DRAM$$ZI$$length|
ADD r2, r2, r4
MOV r3, #0
BL zi_init ;
調(diào)用零初始化子程序
4．結(jié)束語：
本文介紹的啟動(dòng)程序已經(jīng)在以Cirrus Logic公司的EP7211和Ateml公司的AT91M40400開發(fā)的系統(tǒng)上運(yùn)行并測試通過。今后可以在這一基礎(chǔ)上添加串行通信模塊和FLASH操作模塊，開發(fā)系統(tǒng)監(jiān)控程序，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的在線升級。
參考資料:
《嵌入式微處理器及其應(yīng)用開發(fā)》 計(jì)算機(jī)世界第四十三期
姜橋 羅蕾
《面向二十一世紀(jì)的嵌入式系統(tǒng)綜述》 北京諾浩數(shù)字基因研究所
中國單片機(jī)公共實(shí)驗(yàn)(BOL)
呂京建 肖海橋
《
EP7211數(shù)據(jù)手冊》《
ARM7TDMI數(shù)據(jù)手冊》
作者：
王京林 解放軍信息工程大學(xué)基礎(chǔ)部研究生隊(duì) 二年級研究生
通訊地址：鄭州1001信箱6-5#
郵編：450002
電子信箱：pingzi19@263.net
岳春生 解放軍信息工程大學(xué)基礎(chǔ)部 副教授，研究生導(dǎo)師
張海英 解放軍信息工程大學(xué)基礎(chǔ)部研究生隊(duì) 二年級研究生
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