基于ARM體系的嵌入式系統(tǒng)BSP的程序設(shè)計(jì)

    摘要：在介紹基于ARM體系的嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)流程的基礎(chǔ)上，結(jié)合編程實(shí)例，詳細(xì)、系統(tǒng)地?cái)⑹隽薆SP（板級(jí)支持包）程序的各個(gè)組成部分及其具體設(shè)計(jì)方案，并就實(shí)際程序設(shè)計(jì)中的幾個(gè)難點(diǎn)問題做了說明。

ARM公司在32位RISC的CPU開發(fā)領(lǐng)域不斷取得突破，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)從V3發(fā)展到V6。

BSP（Board Support Package）板級(jí)支持包介于主板硬件和操作系統(tǒng)之間，其功能與PC機(jī)上的BIOS相類似，主要完成硬件初始化并切換到相應(yīng)的操作系統(tǒng)。BSP是相對(duì)于操作系統(tǒng)而言的，不同的操作系統(tǒng)對(duì)應(yīng)于不同定義形式的BSP，例如VxWorks的BSP和Linux的BSP相對(duì)于某一CPU來說，盡管實(shí)現(xiàn)的功能一樣，可是寫法和接口定義是完全不同的。另外，仔細(xì)研究所用的芯片資料也十分重要，例如盡管ARM在內(nèi)核上兼容，但每家芯片都有自己的特色。所以這就要求BSP程序員對(duì)硬件、軟件和操作系統(tǒng)都要有一定的了解。

本文介紹基于ARM體系的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)初始化部分BSP的程序設(shè)計(jì)。本文引用的源碼全部是基于HMS320C7202芯片設(shè)計(jì)，并已成功運(yùn)行。

1 初始化過程

盡管各種嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能差別很大，但其系統(tǒng)初始化部分完成的操作有很大一部分是相似的。嵌入式系統(tǒng)的啟動(dòng)流程如圖1所示。

1.1 設(shè)置入口指針

啟動(dòng)程序首先必須定義指針，而且整個(gè)應(yīng)用程序只有一個(gè)入口指針。一般地，程序在編譯鏈接時(shí)將異常中斷向量表鏈接在0地址處，并且作為整個(gè)程序入口點(diǎn)。入口點(diǎn)代碼如下：

ENTRY（_start） ；開始

1.2 設(shè)置異常中斷向量表

ARM要求中斷向量表必須放置在從0開始、連續(xù)8×4字節(jié)的空間內(nèi)。各異常中斷向量地址以及中斷的算是優(yōu)先級(jí)如表1：

表1 各異常中斷的中斷向量地址以及中斷的處理優(yōu)先級(jí)

每當(dāng)一個(gè)中斷發(fā)生后，ARM處理器便強(qiáng)制把程序計(jì)數(shù)器（PC）指針置為向量表中對(duì)應(yīng)中斷類型的地址值。因?yàn)槊總€(gè)中斷向量僅占據(jù)放置1條ARM指令的空間，所以通常放置1條跳轉(zhuǎn)指令或向程序計(jì)數(shù)器（PC）寄存器賦值的數(shù)據(jù)訪問指令，使程序跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常中斷處理程序執(zhí)行。如果異常中斷處理程序起始地址小于32MB，使用B跳轉(zhuǎn)指令；如果跳轉(zhuǎn)范圍大于32MB，使用LDR指令。

另外，對(duì)于各未用中斷，可使其指向一個(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。

1.3 初始化存儲(chǔ)系統(tǒng)

初始化存儲(chǔ)系統(tǒng)的編程對(duì)象是系統(tǒng)的存儲(chǔ)器控制器，一個(gè)系統(tǒng)可能存在多種存儲(chǔ)器類型的接口，不同的存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不盡相同。Flash和SRAM同屬于靜態(tài)存儲(chǔ)器類型，可以合用一個(gè)存儲(chǔ)器端口；而DRAM因?yàn)橛袆?dòng)態(tài)刷新和地址線復(fù)用等特性，通常配有專用的存儲(chǔ)器端口。其中，SDRAM必須在初始化階段進(jìn)行設(shè)置，因?yàn)榇蟛糠值?a target="_blank">程序代碼和數(shù)據(jù)都要在SDRAM中運(yùn)行。

在HMS30C7202中，與SDRAM配置有關(guān)的寄存器有4個(gè)：配置寄存器、刷新定時(shí)寄存器、寫緩沖寫回寄存器和等待驅(qū)動(dòng)寄存器，需要根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)此分別加以正確配置。

SDRAM的初始化過程如下：加電→延遲10ms（各具體SDRAM器件延時(shí)時(shí)間可能不同）→設(shè)置配置寄存器參數(shù)→延時(shí)→寫刷新定時(shí)寄存器，設(shè)置刷新周期→延時(shí)→使能自動(dòng)刷新→延時(shí)→設(shè)置模式寄存器（位于SDRAM內(nèi)部）。

1.4 存儲(chǔ)器地址分布重映射（remap）和MMU

系統(tǒng)一上電，程序?qū)⒆詣?dòng)從0地址處開始執(zhí)行。因此，必須保證在0地址處存在正確的代碼，即要求0地址開始入是非易失性的ROM或Flash等。但是因?yàn)镽OM或Flash的訪問速度相對(duì)較慢，每次中斷響應(yīng)發(fā)生后，都要從讀取ROM或Flash上面的向量表開始，影響了中斷響應(yīng)速度。一般程序執(zhí)行后將SDRAM映射為地址0，并把系統(tǒng)程序加載到SDRAM中運(yùn)行，其具體步驟可以采用以下的方案：

（1）上電后，從0地址的ROM開始往下執(zhí)行；

（2）根據(jù)映射前的地址，對(duì)SDRAM進(jìn)行必要的代碼和數(shù)據(jù)拷貝；

（3）拷貝完成后，進(jìn)行重映射操作；

（4）因?yàn)镽AM在重映射前準(zhǔn)備好了內(nèi)容，使得PC指針能繼續(xù)在RAM里取得正確的指令。

在這種地址映射的變化過程中，程序員需要仔細(xì)考慮的是：程序的執(zhí)行流程不能被這種變化所打斷，注意保證程序流程在重映射前后的承接關(guān)系。

存儲(chǔ)器的地址分配是很靈活的，可以將I/O操作映射成內(nèi)存操作，也可以通過映射對(duì)某些不可訪問的地址空間進(jìn)行保護(hù)等。進(jìn)行存儲(chǔ)器初始化設(shè)計(jì)時(shí)，一定要根據(jù)應(yīng)用程序的具體要求來完成地址分配。對(duì)地址管理通過MMU即存儲(chǔ)器管理單元實(shí)現(xiàn)。

在ARM系統(tǒng)中，MMU通過頁式虛擬存儲(chǔ)管理，將虛擬空間和物理空間分別分成一個(gè)個(gè)固定大小的頁，并建立兩者之間的映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。MMU還可完成存儲(chǔ)器訪問權(quán)限的控制和虛擬存儲(chǔ)器空間緩沖特性的設(shè)置。

以下是實(shí)現(xiàn)MMU的部分代碼：

for=(i=1;i<0x1000;i++){

pagetable[i]=(i<<20)|MMU_SECDESC;

} //建立頁表，每頁大小為1MB，頁表偏移序號(hào)是物理地址的高12位；

for(addr=SDRAM_BASE;addr<(SDRAM_BASE+SDRAM_SIZE/2);addr+=SIZE_1M)

pagetable[addr>>20]=addr|MMU_SECDESE|

MMU_CACHEABLE|MMU_BUFFERABLE;

//將SDRAM_BASE至（SDRAM_BASE+SDRAM_SIZE/2）空間的設(shè)置為不可CACHE和不可BUFFER的

for(addr=SDRAM_BASE+SDRAM_SIZE/2;addr<(SDRAM_BASE+SDRAM_SIZE);addr+=SIZE_1M)

pagetable[addr>>20]=(addr+0x1000000)|

MMU_SECDESC|MMU_CACHEABLE|MMU_BUFFERABLE;

//將這段空間的地址映射關(guān)系設(shè)置為VA（虛擬地址）=PA（物理地址）+0x1000000

pagetable[0]=(0x42f00000)|MMU_SECDESC|MMU_CACHEABLE|MMU_BUFFERABLE;

//將SDRAM的虛擬地址0x42f00000映射到0處

1．5 初始化各模式下的堆棧指針

因?yàn)锳RM處理器有7種執(zhí)行狀態(tài)，每一種狀態(tài)的堆棧指針寄存器（SP）都是獨(dú)立的（System和User三項(xiàng)式使用相同SP寄存器）。因此，對(duì)程序中需要用到的每一種模式都要給SP寄存器定義一個(gè)堆棧地址。方法是改變狀態(tài)寄存器（CPSR）內(nèi)的狀態(tài)位，使處理器切換到不同的狀態(tài)，然后給SP賦值。這里列出的代碼定義了三種模式的SP指針，其中，I_Bit表示IRQ的中斷禁止位；F_Bit表示FIQ的中斷禁止位：

@；Set up SVC stack to be 4K on top of zero-init data

LDR r1,=installStack

ADDsp,r1,#2048

@;Set up IRQ and FIQ stacks

MOV r0,#(Mode_IRQ32|I_Bit)

MSRcpsr,r0

MOV r0,r0

ADDsp,r1,#2048*2

MOV r0,#(Mode_FIQ32|I_Bit |F_Bit)

MSR cpsr,r0

MOV r0,r0

ADDsp,r1,#2048*3

一般堆棧的大小要根據(jù)需要而定，但是要盡可能給堆棧分配快速和高帶寬的存儲(chǔ)器。堆棧性能的提高對(duì)系統(tǒng)性能的影響是非常明顯的。

1．6 初始化有特殊要求的端口、設(shè)備

有些關(guān)鍵的I/O部件必須在使能IRQ和FIQ之前進(jìn)行初始化。因?yàn)槿绻谑鼓躀RQ和FIQ之前沒有進(jìn)行初始化，可以產(chǎn)生假的異常中斷信號(hào)。程序中初始化了HMS30C7202的串口1用來調(diào)試程序與其它設(shè)備通信。串口1是一個(gè)通用全雙工異步接收/發(fā)送器（UART），它支持16C550的大部分功能。UART有接收緩沖/發(fā)送保持寄存器、波特率除數(shù)鎖存器、中斷允許寄存器等9個(gè)寄存器。對(duì)串口1的初始化主要是對(duì)各寄存器的設(shè)置，其實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：

_outb(ser_base+0x30,1);

_outw(0x8002301c,0xffff9f9f) ;GPIO PORT A Enable

Register

_outw(0x800230A4,0x6060) ;GPIO PORT A MultiFunction elect-Register

serial_outb(SERIAL_LCR,0x80);

serial_outb(SERIAL_LCR,0x80);

serial_outb(SERIAL_DLL,baud_data[cur_baud]);

serial_outb(SERIAL_DLM,0x0);

serial_outb(SERIAL_LCR,0x03);

seial_outb(SERIAL_FCR,0x01);

serial_outb(SERIAL_IER,0x00);

serial_outb(SERIAL_MCR,0x03);

1.7 切換處理器模式，開中斷

最后轉(zhuǎn)換到應(yīng)用程序運(yùn)行所需的最終模式，一般是User模式。不要過早切換到User模式進(jìn)行User模式的堆棧設(shè)備。因?yàn)檫M(jìn)入U(xiǎn)ser模式后就不能再操作CPRS回到別的模式了，可能會(huì)對(duì)接下去的程序執(zhí)行造成影響。

這時(shí)才使能異常中斷，通過清除CPRS寄存器中的中斷禁止位實(shí)現(xiàn)。如果過早地開中斷，在系統(tǒng)初始化之前就觸發(fā)了有效中斷，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的死機(jī)。

1．8 呼叫主應(yīng)用程序

當(dāng)所有的系統(tǒng)初始化工作完成后，就需要把程序流程轉(zhuǎn)入主應(yīng)用程序。

圖2

2 技術(shù)難點(diǎn)分析

2．1 多種語言的混合編程

ARM有兩種匯編指令集：16位THUMB指令集和32位ARM指令集。使用16位的寄存器可以降低成本，而且16位THUMB指令集整體執(zhí)行速度比ARM 32位指令集快，提高了代碼密度。為了滿足ARM子程序和Thumb子程序互相調(diào)用，必須保證編寫的代碼遵循ATPCS。ATPCS規(guī)定了子程序調(diào)用的基本規(guī)則。

ARM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也支持C、C++以及匯編語言的混合編程。匯編語言和C/C++語言的混合編程，在一個(gè)追求效率的程序中比較常見。許多人認(rèn)為像BSP這樣底層的程序應(yīng)該用純匯編語言編寫，其實(shí)不然。用匯編語言編寫的程序可讀性不高，而且不宜維護(hù)，不便于向其它類型的CPU移植，而這些方面卻是C語言程序的優(yōu)勢(shì)。BSP能否用純C語言去寫呢？也不行。因?yàn)槟承┎僮魇怯肅實(shí)現(xiàn)不了的。例如操作特殊寄存器的指令、CP15寄存器的指令、中斷使能及堆棧地址的設(shè)定等。在匯編和C/C++之間的函數(shù)調(diào)用時(shí)，也要遵循ATPCS的定義，還要注意的是用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)。

混合編程情況下的程序編譯及鏈接后的輸出代碼與沒有混合編程時(shí)是不同的。所以當(dāng)多個(gè)源文件如果使用了不同的設(shè)置進(jìn)行編譯，相互之間的調(diào)用可能產(chǎn)生兼容性問題，對(duì)此一定要加以仔細(xì)考慮。編譯時(shí)，要告訴編譯器和鏈接器足夠的信息，一方面，讓編譯器能夠使用正確的指令碼進(jìn)行編譯；另一方面，在不同的狀態(tài)之間發(fā)生函數(shù)調(diào)用時(shí)，鏈接器將插入一段鏈接代碼（veneers）來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

2．2 MMU的實(shí)現(xiàn)過程

頁表是實(shí)現(xiàn)MMU的重要手段。頁表存放在內(nèi)存中，從虛擬地址到物理地址的變換過程其實(shí)就是查詢頁表的過程。大小為1MB的存儲(chǔ)塊通常被稱為段，圖2說明了如何查表進(jìn)行段式尋址的全過程：32位的虛擬地址可分為12位的一級(jí)頁表序號(hào)和20位的段內(nèi)地址偏移。12位的一級(jí)頁表序號(hào)和CP15寄存器的C2中的18位變換表基址合并成一級(jí)描述符地址查表找出相應(yīng)的一級(jí)描述符；然后，段對(duì)應(yīng)的物理基地址與段內(nèi)地址偏移量合并成為真正的存儲(chǔ)器存取地址即物理地址，讀出相應(yīng)數(shù)據(jù)。

本文介紹的BSP程序已經(jīng)在以HMS30C7202為主芯片的開發(fā)系統(tǒng)上運(yùn)行并測(cè)試通過，并且成功地引導(dǎo)了Linux內(nèi)核，文中引用代碼可以直接使用。今后可以在此基礎(chǔ)上添加命令行解釋程序，在引導(dǎo)操作系統(tǒng)前進(jìn)行存存儲(chǔ)器的讀寫等，擴(kuò)展開發(fā)系統(tǒng)的功能。