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13.5 復(fù)位和初始化 任何運(yùn)行在實(shí)際硬件上的嵌入式應(yīng)用程序，都必須在啟動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)一些基本的系統(tǒng)初始化。本節(jié)將對(duì)此予以詳細(xì)討論。 13.5.1 初始化序列 圖13.14顯示了一個(gè)適用于ARM嵌入式系統(tǒng)的初始化序列。 圖13.14 ARM嵌入式系統(tǒng)的初始化序列 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)立即執(zhí)行復(fù)位處理程序，然后進(jìn)入$Sub$$main()的代碼執(zhí)行。 復(fù)位處理程序是用匯編語言編寫的代碼塊，它在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)執(zhí)行，完成系統(tǒng)初始化操作。對(duì)于具有局部存儲(chǔ)器的內(nèi)核，如Caches、緊密藕荷存儲(chǔ)器(TCM)、存儲(chǔ)管理單元(MMU)和存儲(chǔ)器保護(hù)單元(MPU)等，在初始化過程這一階段完成必要的配置。復(fù)位處理程序在執(zhí)行之后，通常跳轉(zhuǎn)到__main以開始C庫的初始化序列。 13.5.2 向量表 所有的ARM系統(tǒng)都有一個(gè)向量表(vector table)。向量表不是初始化序列的一部分，但是對(duì)每個(gè)要處理的異常，它必須存在。這些地址通常包含以下形式的跳轉(zhuǎn)指令。 · B ：該條指令實(shí)現(xiàn)了相對(duì)于pc的跳轉(zhuǎn) · LDR pc，[pc，offset]：這條指令將異常處理程序的入口地址從存儲(chǔ)器裝載到pc。該地址是一個(gè)32位的絕對(duì)地址。由于有額外的存儲(chǔ)器訪問，裝載跳轉(zhuǎn)地址會(huì)使分支跳轉(zhuǎn)到特定處理程序，給系統(tǒng)執(zhí)行帶來延時(shí)。不過，可以使用這種方法跳轉(zhuǎn)到存儲(chǔ)空間內(nèi)的任意地址。 · MOV pc，#immediate：將一個(gè)立即數(shù)復(fù)制到pc。使用該指令可以跨越整個(gè)地址空間，但是受到地址對(duì)齊問題的限制。這個(gè)地址必須由8位立即數(shù)循環(huán)右移偶數(shù)次得到。 另外，也可以在向量表中使用其他類型的指令。例如，F(xiàn)IQ處理程序可以從地址0x1c處開始執(zhí)行。因?yàn)樗挥谙蛄勘淼淖詈螅@樣FIQ處理程序就可以不用跳轉(zhuǎn)，立即從FIQ向量地址處開始執(zhí)行。 下面的例子顯示了一個(gè)使用LDR指令的向量表裝載過程。 ;********************************** ;* VECTOR TABLE * ;********************************** AREA vectors, CODE ENTRY ; 定義標(biāo)準(zhǔn)的ARM向量表 INT_Vectors LDR PC, INT_Reset_Addr LDR PC, INT_Undef_Addr LDR PC, INT_Software_Addr LDR PC, INT_Prefetch_Addr LDR PC, INT_Data_Addr LDR PC, INT_Reserved_Addr LDR PC, INT_IRQ_Addr LDR PC, INT_FIQ_Addr 在向量表的入口處要有ENTRY標(biāo)識(shí)。該標(biāo)識(shí)通知鏈接程序該代碼是一個(gè)可能的入口點(diǎn)，因而在鏈接時(shí)，不能被清除。 13.5.3 ROM/RAM重映射 啟動(dòng)時(shí)，0x0處必須要有一條有效指令，因此，復(fù)位時(shí)0x0000地址必須為非易失性存儲(chǔ)器，如ROM或FLASH。 注意有些系統(tǒng)是從0xffff0000處開始執(zhí)行的，對(duì)于這樣的系統(tǒng)，地址0xffff0000處必須為非易失性存儲(chǔ)器。 可以將ROM定位在0x0處。但是，這樣配置有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先ROM存取速度通常較RAM要慢，當(dāng)跳轉(zhuǎn)到異常處理程序時(shí)，系統(tǒng)性能可能會(huì)大受影響。其次，將向量表放于ROM中，運(yùn)行時(shí)不能修改。 存儲(chǔ)器地址重映射(Memory Remap)是當(dāng)前很多先進(jìn)控制器所具有的功能。所謂地址重映射就是可以通過軟件配置來改變存儲(chǔ)器物理地址的一種機(jī)制或方法。 當(dāng)一段程序?qū)\(yùn)行自己得存儲(chǔ)器進(jìn)行重映射時(shí)，需要特別注意保證程序執(zhí)行流程在重映射前后的承接關(guān)系。實(shí)現(xiàn)重映射的關(guān)鍵就是要使程序指針在remap以后能繼續(xù)往下得到正確的指令。本書中介紹兩種實(shí)現(xiàn)重映射的機(jī)制，不同的系統(tǒng)可能會(huì)有多種靈活的remap方案，用戶在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)要具體分析。 1.先搬移后映射(Remap after Copy) 圖13.15顯示一種典型的存儲(chǔ)器地址重映射情況。 圖13.15 ROM/RAM重映射(1) 原來RAM和ROM各有自己的地址，進(jìn)行重映射以后RAM和ROM的地址都發(fā)生了變化。這種情況下，可以采用以下方案。 ① 上電后，從0x0地址的ROM開始往下執(zhí)行。 ② 根據(jù)映射前的地址，對(duì)RAM進(jìn)行必要的代碼和數(shù)據(jù)拷貝。 ③ 拷貝完后，進(jìn)行remap操作。 ④ 因?yàn)镽AM在remap前準(zhǔn)備好了內(nèi)容，使得PC指針能繼續(xù)在RAM里取到正確的指令。 2.先映射后搬移(Copy after Remap) 系統(tǒng)上電后的缺省狀態(tài)是0x0地址上放有ROM。這塊ROM有兩個(gè)地址：從0起始和從0x10000起始，里面存儲(chǔ)了初始化代碼。當(dāng)進(jìn)行地址remap以后，從0x0起始的地址被定向到RAM上，ROM則只保留有惟一的從0x10000起始的地址。 如果存儲(chǔ)在ROM里的復(fù)位異常處理程序(Reset-Handler)一直在0x0～0x4000的地址上運(yùn)行，則當(dāng)執(zhí)行完remap以后，下面的指令將從RAM里預(yù)取，這必然會(huì)導(dǎo)致程序執(zhí)行流程的中斷。根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，可以用下面的辦法來解決這個(gè)問題。 ① 上電后系統(tǒng)從0x0地址開始自動(dòng)執(zhí)行，設(shè)計(jì)跳轉(zhuǎn)指令在remap發(fā)生前使PC指針指向0x10000開始的ROM地址中去，因?yàn)椴煌刂分赶虻氖峭粔KROM，所有程序能夠順利執(zhí)行。 ② 這時(shí)候0x0～0x4000的地址空間空閑，不被程序引用，執(zhí)行remap后把RAM引進(jìn)。因?yàn)槌绦蛞恢痹?x10000起始的ROM空間里運(yùn)行，remap對(duì)運(yùn)行流程沒有任何影響。 ③ 通過在ROM里運(yùn)行的程序，對(duì)RAM進(jìn)行相應(yīng)的代碼和數(shù)據(jù)拷貝，完成應(yīng)用程序運(yùn)行的初始化。 圖13.16顯示了ROM和RAM重映射的第二種解決方案。 圖13.16 ROM/RAM重映射(2) 該ROM與RAM地址重映射的方法可以應(yīng)用于任何具有ROM/RAM重映射機(jī)制的平臺(tái)，但是內(nèi)存重映射的地址根據(jù)具體平臺(tái)的不同而不同。 圖13.16顯示的地址重映射例子中，第一條指令實(shí)現(xiàn)從ROM臨時(shí)地址(0x0地址)到實(shí)際ROM的跳轉(zhuǎn)。然后，控制寄存器的重映射位，清除ROM的臨時(shí)地址設(shè)置。該代碼通常在系統(tǒng)復(fù)位后立即執(zhí)行。重新映射必須在執(zhí)行C庫初始化代碼前完成。 在具有MMU的系統(tǒng)中，可通過在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)配置MMU來實(shí)現(xiàn)重映射。 下面的例子顯示了在ARM的Integrator開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)的ROM/RAM重映射過程。 ; --- Integrator CM control reg CM_ctl_reg EQU 0x1000000C ;定義CM控制寄存器地址 Remap_bit EQU 0x04 ;CM控制寄存器重映射掩碼 ENTRY ;復(fù)位異常處理程序開始 ; 執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)到實(shí)際的ROM執(zhí)行 LDR pc, =Instruct_2 Instruct_2 ; 設(shè)置CM控制寄存器的重映射位 LDR r1, =CM_ctl_reg LDR r0, [r1] ORR r0, r0, #Remap_bit STR r0, [r1] ; 重映射后，RAM在0x0地址 ; 將向量表從ROM拷貝到 RAM (由 __main函數(shù)完成) 13.5.3 局部存儲(chǔ)器設(shè)置有關(guān)的考慮事項(xiàng) 許多ARM處理器內(nèi)核具有片上存儲(chǔ)器系統(tǒng)，如MMU或MPU。這些設(shè)備通常是在系統(tǒng)啟動(dòng)過程中進(jìn)行設(shè)置并啟用的。因此，帶有局部存儲(chǔ)器系統(tǒng)的內(nèi)核的初始化序列需要特別地考慮。 在前面所述的代碼啟動(dòng)的過程中，__main中C庫初始化代碼負(fù)責(zé)建立代碼執(zhí)行時(shí)的內(nèi)存映像，在跳轉(zhuǎn)到__main前，必須建立處理器內(nèi)核的運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)器視圖。這就是說，在復(fù)位處理程序中必須設(shè)置并啟用MMU或MPU。 另外，在跳轉(zhuǎn)到__main前(通常在MMU/MPU設(shè)置前)，必須啟用緊耦合存儲(chǔ)器TCM(Tightly coupled Memory)，因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下都是采用分散加載方法將代碼和數(shù)據(jù)裝入TCM。當(dāng)TCM啟用后，用戶不必存取由TCM屏蔽的存儲(chǔ)器。 在跳轉(zhuǎn)到__main前，如果啟用了Cache，可能還會(huì)遇到Cache一致性的問題，__main中的函數(shù)將程序代碼從其加載域拷貝到執(zhí)行域，在此過程中將指令作為數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這樣，一些指令可能被放入數(shù)據(jù)Cache中，在執(zhí)行這些指令時(shí)，由于找不到地址路徑而產(chǎn)生錯(cuò)誤。為了避免Cache一致性的問題，在C庫初始化序列執(zhí)行完成后再啟用Cache。 13.5.4 棧指針初始化 在程序的初始化代碼中，用戶必須要為處理器用到的各種模式設(shè)置堆棧，也就是說，復(fù)位處理程序必須為應(yīng)用程序所使用的任何執(zhí)行模式的棧指針分配初始值。 下面的例子顯示了如何在初始化代碼中啟用不同模式下的堆棧。 ; 啟用系統(tǒng)模式堆棧 LDR r2,INT_System_Stack ;將系統(tǒng)堆棧的全局變量放到r2中 STR sp,[r2] ;將系統(tǒng)堆棧指針存儲(chǔ)到系統(tǒng)模式下的sp ; 啟用系統(tǒng)堆棧限制 (為ARM編譯器的堆棧檢測(cè)做準(zhǔn)備) SUB r1,sp,#SYSTEM_STACK_SIZE ;跳轉(zhuǎn)堆棧指針 BIC r1,r1,#0x03 ;4字節(jié)對(duì)齊 MOV r10,r1 ;將堆棧的限制放入r10寄存器(AAPCS規(guī)則) LDR r2,INT_System_Limit ;得到堆棧限制全局變量地址 STR r1,[r2] ;將堆棧限制存入全局變量 ; 切換到IRQ模式 MRS r0,CPSR ;得到當(dāng)前的CPSR值 BIC r0,r0,#MODE_MASK ;清除模式位 ORR r1,r0,#IRQ_MODE ;設(shè)為IRQ模式 MSR CPSR_cxsf,r1 ;切換到IRQ模式 ;啟用IRQ模式堆棧 LDR sp,=INT_Irq_SP ;將IRQ模式堆棧指針放入sp_irq ; 切換到FIQ ORR r1,r0,#FIQ_MODE ;設(shè)置FIQ模式位 MSR CPSR_cxsf,r1 ;切換到FIQ模式 ; Set-up FIQ stack LDR sp,=INT_Fiq_SP ;得到FIQ模式指針 ; 切換到Abort模式 ORR r1,r0,#ABT_MODE ;設(shè)置Abort模式位 MSR CPSR_cxsf,r1 ;切換到ABT模式 ; 啟用Abort堆棧 LDR sp,=INT_Abort_SP ; 切換到未定義異常模式 ORR r1,r0,#UNDEF_MODE MSR CPSR_cxsf,r1 ;啟用未定義指令模式堆棧 LDR sp,=INT_Undefined_SP ; 啟用系統(tǒng)/用戶堆棧 …… …… 為了設(shè)置棧指針，進(jìn)入每種模式(中斷禁用)并為棧指針分配適合的值。要利用軟件棧檢查，也必須在此設(shè)置棧限制。 復(fù)位處理程序中設(shè)置的棧指針和棧限制值由C庫初始化代碼作為參數(shù)自動(dòng)傳遞給__user_initial_stackheap()。因此，不允許__user_initial_stackheap()更改這些值。 下面的例子顯示了如何實(shí)現(xiàn)__user_initial_stackheap()，該段代碼可以和上面的堆棧指針設(shè)置程序配合使用。 IMPORT heap_base EXPORT __user_initial_stackheap() __user_initial_stackheap() ; 程序中指定棧基地址或在描述文件中指定該地址 LDR r0,=heap_base ; r1 contains SB value MOV pc,lr 13.5.5 硬件初始化 一般情況下，系統(tǒng)初始化代碼和主應(yīng)用程序是分開的。系統(tǒng)初始化要在主應(yīng)用程序啟動(dòng)前完成。但部分與硬件相關(guān)的系統(tǒng)初始化過程，如啟用Cache和中斷，必須在C庫初始化代碼執(zhí)行完成后才能執(zhí)行。 為了在進(jìn)入主應(yīng)用程序之前，完成系統(tǒng)初始化，可以使用$sub和$super函數(shù)標(biāo)識(shí)符在進(jìn)入主程序之前插入一個(gè)例程。這一機(jī)制可以在不改變?cè)创a的情況下擴(kuò)展函數(shù)的功能。 下面的例子說明了如何使用$sub和$super函數(shù)標(biāo)識(shí)。鏈接程序通過調(diào)用$sub$$main()函數(shù)取代對(duì)main()的調(diào)用。所以用戶可以在自己編寫的$sub$$main()例程中啟用Cache或使能中斷。 extern void $Super$$main(void); void $Sub$$main(void) { cache_enable(); // 使能caches int_enable(); // 使能中斷 $Super$$main(); // 調(diào)用原來的main()函數(shù) } 在$Sub$$main(void)函數(shù)中，鏈接程序通過調(diào)用$Super$$main()，使代碼跳轉(zhuǎn)到實(shí)際的main()函數(shù)。 在完成硬件初始化之后，必須考慮主應(yīng)用程序運(yùn)行在何種模式。如果應(yīng)用程序運(yùn)行在特權(quán)模式(Privileged mode)，只需在退出復(fù)位處理程序前切換到適當(dāng)?shù)哪Ｊ?如果應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶模式下，要在完成系統(tǒng)初始化之后，再切換到用戶模式。模式的切換工作，一般在$Sub$$main(void)函數(shù)中完成。 |
