ARM处理器启动代码的分析与设计

武汉理工大学 甘泉 杨健 陈永泰 ARM处理器启动代码的分析与设计 Analysis and Design of ARM Processor Bootcode 摘 要：本文以ARM7TDMI作内核的网络控制器$3C4510B为例，简要介绍了ARM体系结构及其特点，重点阐 述了ARM处理器启动程序底层的组成结构和各部分的具体内容。 关键词：ARM内核；启动代码；中断向量；堆栈 随着对高处理能力、网络通信、 实时多任务，超低功耗这些需求的 增长，传统8位处理器已经不能满 足新产品的要求了，高端嵌入式处 理器已经进入了国内开发人员的视 野，并在国内得到了普遍的重视和 应用。ARM是目前嵌入式领域应用 最广泛ff：JRISC做处理器结构，以其 低成本、低功耗、高性能等优点占 据了嵌入式系统应用领域的领先地 位。本 文应用 A R M 处理器 $3C4510B开发设计了四路E1收发 器，参考一些文献X~ARM处理器的 启动代码进行了编写，结合在实际 应用时编写调试的经验进行了总 结。 ARM体系结构 目前，ARM系列的通用32位 RISC微处理器有ARM 7、ARM 9、 ARM 9 E、ARM 1 0等多个产品， 这些处理器可以工作于 7种模式 下，如表 1所示。 除User模式以外的其它模式都 叫做特权模式，除User和System以 外的其它5种模式叫做异常模式。 大部分应用程序都在User模式下运 行，当处理器处于 User模式下时， 执行的程序无法访问一些被保护的 系统资源，以利于操作系统控制系 统资源的使用，也不能改变模式， 否 则就 会导致一次异常 。对于 System模式，任何异常都不会导致 进入这一模式，而且它使用的寄存 器和User模式下基本相同，主要是 用于有访问系统资源请求而又避免 使用额外的寄存器的操作系统任 务。在特权模式下，它们可以完全 访问系统资源，可以自由地改变模 式。在处理特定的异常时，系统进 入对应的异常模式下。这5种异常 模式都有各自额外的寄存器，用于 避免在发生异常的时候与用户模式 下的程序发生冲突。如表2所示： 在任意一种处理器模式中，都 使用同一个寄存器来标识当前处理 器的工作模式，这个寄存器叫做 CPSR(当前程序状态寄存器)，它的 0～4位用来表示CPU模式，(如表2 所示)而且在每 ·种处理器异常模 式下，都有一个对应的SPSR(缓存 程序状态寄存器)，用来保存进入异 lI。夸文于 0o4年7月2o日“|I= 1．甘采：硕士生；杨健：硕士生 豫j 泰： 常模式前的CPSR的值。SPSR的作 用就是当CPU从异常模式退出时， 通过一条简单的汇编指令就能够恢 复进入异常模式前的CPSR，该值 保存在当前异常模式的SPSR中。 启动代码的设计 启动代码类似于 电脯 中的 BIO S，它从系统上电开始接管 CPU，依次需要负责初始化CPU在 各种模式下的堆栈空间、设定CPU 的内存映射、对系统的各种控制寄 存器做初始化、对CPU的外部存储 器进行初始化、设定各外围设备的 基地址、创建正确的中断向量表、为 c代码执行创建ZI(零创建)区，然 后进入到c代码。在c代码中继续 对时钟、RS232端口进行初始化，然 后打开系统中断允许位。最后进入 到应用代码中执行，执行期间响应 各种不同的中断信号并调用预先设 置好的中断服务程序处理这些中断。 整个过程的流程图如图1所示。 堆栈初始化 堆栈的初始化要处理的事情是 为处理器的7个处理器模式分配堆 副攀长 手≯； ．要从事无线通信研究。 J J 6 _ ⋯ ． 一 ⋯ ． ．一 维普资讯 http://www.cqvip.com http://www.elecfans.com ????? http://bbs.elecfans.com ?????? 表1 ARM处理器工作模式 黎 鬟 魏冀霪§蠹 霭 一 麓。 。 处理器模式 描述 栈空间。以下以FIQ模式下的堆栈 设置为例说明： 0RR r1．r0．#LOCKOUT I FIQ—MODE；把模式放在r1中， LOCKOUT用来屏蔽中断位； MSR cpsr，rl；改变CPU [~4JCPSR寄存器，进入到指定的FIQ 模式； MSR spsr，r2 ；保存前一 模式； LDR sp，=FIQ—STACK ； 把FIQ模式下的堆栈起始值赋给当 前的SP，FIQ—STACK是分配给FIQ 模式堆栈空间(比如说 1K字节)的 起始地址。 按这种方式设置其它模式下的 堆栈。 DRAM的初始化根据系统配置 信息来决定，因为系统不一定会用 到DRAM，但是一定要做SDRAM 的初始化。主要的处理 内容是 ROM和RAM基址的设定、数据总 线的宽度、SDRAM的刷新时间等 等，这些可以参照S3C4510B芯片 的用户手册。 特殊寄存器的设置主要是针对 I／O口，比方说设定几个I／O位用做 系统状态指示灯LED。寄存器的设 定主要根据硬件的配置情况而定， 表2各模式下寄存器的分配及CPSR模式位 强 嚣 。 。 ll毳| §童甏舔塞蘸| 。 0 琵蕊0 罄 模 式 可以访问的寄存器 值得注意的是由于这段启动代码是 烧录到ROM中的，而中断向量必须 位于零地址，所以在存储单元没有 重新映射之前ROM基址的设定应 该为零地址。 拷贝(image)主要是为了提高 运行速度，编译生成的映像文件代 码从ROM内拷贝到RAM中去，而 程序的执行也就在RAM中。当然， 启动代码对运行速度的要求不是很 严格，所以这个拷贝动作可以不用 做，让代码存放在ROM中，代码的 执行也在ROM中，而运行中所需要 的数据在RAM中。 内存的初始化是为C代码的运 行开辟内存区，代码编译后会分为 三个区：只读区、可读可写区，零 初始化区。内存的初始化处理的内 容是：当只读区截止地址等于可读 可写区基址时，把零初始化区各字 节清零；当只读区截止地址不等于 可读可写区基址时，如果可读可写 区基址小于零初始化基址，就从只 读区截止地址处开始把数据拷贝到 可读可写区基址处，直到到达零初 始化基址，然后把零初始化区各字 节清零，否则也只用把零初始化区 各字节清零。 中断向量表是用于处理异常情 况的，当发生异常时，首先要保存 当前程序的返回地址和CPSR寄存 器的值，然后进入到相应的异常向 量地址，一般来说在异常向量地址 是一个跳转指令，使程序进入相应 — 1n I旦 -I一．一．o 维普资讯 http://www.cqvip.com http://www.elecfans.com ????? http://bbs.elecfans.com ?????? 的异常处理过程。由于中断向量表 要位于系统的零地址，当把启动代 码烧录到EEPROM 中运行时就需 要把ROM的地址定义到零地址，所 以程序的入口处如下： main ENTRY B Reset — Handler ；系统上 电后进入复位操作，通过这个跳转 指令进入堆栈初始化操作 B Undefined — Handler；处理 未定义模式。 B SW I — — Handler B Prefetch — Handler B Abort _ Handler N0P ：Reserved Vector B IRQ—Handler ；处理器 IRQ中断。 B FIQ—Handler ；处理器 FIQ中断，快速响应用户中断，支 持高速数据传输这些跳转指令的地 址是 固定的，复位跳转指令在 0X0000，0000，未定义模式的跳转 是OXO000，0004，其它跳转指令地 址依次加4，而且这个顺序是不能 更改的。 系统重新映射当你为了提高运 行速度而把ROM的Image拷贝到 RAM后，中断向量表就不是在零地 址处，因此要重新映射存储单元， 把RAM的地址重新设定为零地址。 映 射 就 是 把 启 动 代 码 从 ROM(EEPROM或者Flash)拷贝到 SDRAM运行，同时再拷贝完毕以 后 进行 内存 的 重新 映射 ，把 SDRAM映射到原来的ROM地址 (OxO000)中，这样就可以用SDRAM 中的代码写Flash，使得程序代码得 以更新。但是需要注意的是，如果 程序进行了映射，这样就对在线调 试带来了困难，使得在线调试不可 以在 R A M 中进行(如果写入 EEPROM的代码是映射了的，则在 调试器启动的时候必然也会对程序 进行映射，使得程序在调试器中不 可以定位到原来的地方 ，使得调试 失败)。一个折中的方法是，不进行 映射，就是说在调试的代码中不可 以使用下载，这样就可以像普通的 代码一样进行调试了。 结语 做完这些初始化后，让CPU切 换到用户模式下，并把堆栈指针SP 指定到用户堆栈区，就可以进入到 c代码区运行。在c代码中继续对 时钟、RS232端口进行初始化，然 后打开系统中断允许位，进入到应 用代码中执行。此程序加载到处理 器$3C45lOB中经过调试，CPU可 以正常启动，能够对中断请求做出 及时的响应，上层应用的主代码可 以加载到Flash中，移植实时操作系 统RTXC后对多任务的调度控制正 常。匝 参考文献： 1．SteveFurber，‘ARM SoC体 系结构’，北京航空航天大学出版 社 ．2002． 2．马忠梅，‘ARM嵌入式处理 器结构与应用基础’，北京航空航天 大学出版社，2003． 3．李驹光，‘ARM应用系统开 发详解一基于$3C45l0B的系统设 计’，清华大学出版社，2003． ZiLOG三 十周年庆典 ，上海设计 中心开幕 9月1日，ZiLOG公司在上海为 其不断创新的30年历程举办了庆 祝活动(1 974年由Federico Faggin 创建)，同时正式对外公布其设在上 海浦东张江高科技工业园内，占地 约6000平方米的设计中心的成立。 ziLOG董事长兼cE0 Jim Thorburn说：新成立的上海设计中 心是该公司中国策略中的重要组成 部分，突出了ZiLOG对于整个中国 区的重视。而中国区在ZiLOG亚太 区的收入比重占50％。中心的成立 使ZiLOG能够为持续增长中的中 国MCU市场提供快速的机动 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 整个中国区的客户已经积极地 把ZiLOG的芯片应用到他们的设 计中，该公司正 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 扩展设计中心 的资源和能力，同时在未来的日子 里，ZiLOG将特别针对中国电子厂 家对低成本应用的需求，开发出贴 近市场的新产品。匝 ● ·'^ - t 。 ． ⋯ ⋯ 维普资讯 http://www.cqvip.com http://www.elecfans.com ????? http://bbs.elecfans.com ??????