ARM7啟動(dòng)代碼的分析與設(shè)計(jì)

引言

隨著生活水平的提高和IT技術(shù)的進(jìn)步，8位處理器的處理能力已經(jīng)不能滿足嵌入式系統(tǒng)的需要了;而16位處理器在性能和成本上都沒(méi)有很大的突破。并且在8位機(jī)的開(kāi)發(fā)中，大多使用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)用戶程序。這使得程序的可維護(hù)性、易移植性等都受到了極大的挑戰(zhàn)。正是基于此，ARM公司適時(shí)的推出了一系列的32位嵌入式微控制器。目前廣泛使用的是ARM7和ARM9系列，ARM7TDMI內(nèi)核的ARM7處理器廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器儀表、汽車(chē)電子、通訊、消費(fèi)電子等嵌入式設(shè)備。本文主要以philips公司ARM7TDMI核的LPC2119為例來(lái)分析如何編寫(xiě)ARM7的啟動(dòng)代碼。

1、啟動(dòng)代碼

在嵌入式系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)中，應(yīng)用程序通常是在嵌入式操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)上采用C語(yǔ)言編寫(xiě)的。然而，在ARM系統(tǒng)上電復(fù)位后，需要設(shè)置中斷向量表、初始化各模式堆棧、設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘頻率等，而這些過(guò)程都是針對(duì)ARM內(nèi)部寄存器結(jié)構(gòu)的操作，用C語(yǔ)言編程是很難實(shí)現(xiàn)的。因此在轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序的c/c++編寫(xiě)之前，需要用ARM的匯編語(yǔ)言編寫(xiě)啟動(dòng)代碼,由啟動(dòng)代碼完成系統(tǒng)初始化以及跳轉(zhuǎn)到用戶C程序。在ARM設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，啟動(dòng)代碼的編寫(xiě)是一個(gè)極重要的過(guò)程。然而啟動(dòng)代碼隨具體的目標(biāo)系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)有所區(qū)別，但通常包含以下部分：

·向量表定義

·地址重映射及中斷向量表的轉(zhuǎn)移

·堆棧初始化

·設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘頻率

·中斷寄存器的初始化

·進(jìn)入C應(yīng)用程序

下面就結(jié)合PHILIPS的LPC2119的啟動(dòng)代碼來(lái)分析與說(shuō)明ARM7處理器的啟動(dòng)代碼的編寫(xiě)。

1.1向量表定義

ARM芯片上電或復(fù)位后，系統(tǒng)進(jìn)入管理模式、ARM狀態(tài)、PC(R15)指向0x00000000地址處。中斷向量表為每一個(gè)中斷設(shè)置1個(gè)字的存儲(chǔ)空間，存放一條跳轉(zhuǎn)指令，通過(guò)這條指令使PC指針指向相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口，繼而執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序。LPC2219的中斷向量表和其它基于ARM核的芯片中斷向量表較類(lèi)似，只要注意LPC2219要使向量表所有數(shù)據(jù)32位累加和為零(0x00000000-0x0000001C的8個(gè)字的機(jī)器碼累加), 才能使用戶的程序脫機(jī)運(yùn)行。

1.2 地址重映射及中斷向量表的轉(zhuǎn)移

ARM7處理器在復(fù)位后從地址0讀取第一條指令并執(zhí)行，因此系統(tǒng)上電后地址0必須是非易失的ROM/FLASH，這樣才能保證處理器有正確可用的指令。為了加快對(duì)中斷的處理以及實(shí)現(xiàn)在不同操作系統(tǒng)模式下對(duì)中斷的處理，這就需要重新映射中斷向量表、Bootblock和SRAM空間的一小部分。ARM具有非常靈活的存儲(chǔ)器地址分配特性。ARM處理器的地址重映射機(jī)制有兩種情況：

①由專(zhuān)門(mén)的寄存器完成重映射(Remap),只需對(duì)相應(yīng)的Remap寄存器相應(yīng)位設(shè)置即可。

②沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的Remap控制寄存器需要重新改寫(xiě)用于控制存儲(chǔ)器起始地址的塊(Bank)寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)Remap。在LPC2119上的重映射，可以通過(guò)存儲(chǔ)器映射控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)REMAP操作的程序?qū)崿F(xiàn)如下：

MOV R8,#0x40000000; /設(shè)置新向量表起始地址/

LDR R9,=Interrupt_Vector_Table; /讀原向量表源地址/

LDMIA R9!,(R0-R7); /復(fù)制中斷向量表及中斷處理程序的入口地址到RAM中(64字節(jié))/

STMIA R8!,(R0-R7)

LDMIA R9!,(R0-R7)

STMIA R8!,(R0-R7)

LDR R8，=MEMMAP ; /REMMAP操作/

MOV R9，#0x02

STR R9, [R8]

1.3 堆棧初始化

啟動(dòng)代碼中各模式堆?？臻g的設(shè)置是為中斷處理和程序跳轉(zhuǎn)時(shí)服務(wù)的。當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)中斷或程序跳轉(zhuǎn)時(shí)，需要將當(dāng)前處理器的狀態(tài)和部分重要參數(shù)保存在一段存儲(chǔ)空間中，所以對(duì)每個(gè)模式都要進(jìn)行堆棧初始化工作，給每個(gè)模式的SP定義一個(gè)堆棧基地址和堆棧的容量。堆棧的初始化有兩種方法：第一種方法是結(jié)合ADS開(kāi)發(fā)套件中的分散加載文件來(lái)定義堆棧。第二種方法是最簡(jiǎn)單也是最常用的一種就是直接進(jìn)入對(duì)應(yīng)的處理器模式，為SP寄存器指定相應(yīng)的值。下面給出了用第二種方法初始化管理模式和中斷模式堆棧的程序：

MSR CPSR_c, #0xD3 ; /切換到管理模式，并初始化管理模式的堆棧/

LDR SP, Stack_Svc

MSR CPSR_c, #0xD2 ; /切換到IRQ模式，并初始化IRQ模式的堆棧/

LDR SP, Stack_Irq

…

1.4 系統(tǒng)部分時(shí)鐘初始化

時(shí)鐘是芯片各部分正常工作的基礎(chǔ)，應(yīng)該在進(jìn)入main()函數(shù)前設(shè)置。部分ARM7片子內(nèi)部集成有PLL(鎖相環(huán))電路，用戶可以用低頻率的晶振通過(guò)PLL電路獲得一個(gè)較高頻率的時(shí)鐘。LPC2119內(nèi)部的PLL電路接受的輸入時(shí)鐘頻率范圍為10～25MHz，輸入頻率通過(guò)一個(gè)電流控制振蕩器(CCO)倍增到范圍10～60MHz。同時(shí)為了使高速的ARM處理器與低速的外設(shè)正常通訊和降低功耗(降低外設(shè)運(yùn)行速度使功耗降低)，LPC2119又集成了一個(gè)額外的分頻器。PLL的激活是由PLLCON寄存器控制。PLL倍頻器和分頻器的值由PLLCFG寄存器控制。對(duì)PLLCON或PLLCFG寄存器的更改必須遵循嚴(yán)格的順序，否則所作更改是無(wú)法生效的(在連續(xù)的VPB周期內(nèi)向PLLFEED寄存器寫(xiě)入0xAA、0x55，在此期間中斷必須是被禁止的。)

1.5 中斷初始化

ARM7的向量中斷控制器(Vectored Interrupt Controller)可以將中斷編程為3類(lèi)：FIQ、向量IRQ、非向量IRQ。FIQ中斷請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)最高，其次是IRQ中斷請(qǐng)求，非向量IRQ的優(yōu)先級(jí)最低。VIC具有32個(gè)中斷請(qǐng)求輸入，但在LPC2219中只占用了17個(gè)中斷輸入。對(duì)于這17個(gè)中斷源的IRQ/FIQ選擇，由VICIntSelect寄存器控制，當(dāng)對(duì)應(yīng)位設(shè)置位1時(shí)，則此中斷為FIQ中斷，否則為IRQ中斷。若再將IRQ中斷設(shè)置到向量控制寄存器(VICVectCntIn)中，則此中斷為向量IRQ中斷，否則為非向量IRQ中斷。FIQ中斷是專(zhuān)門(mén)用來(lái)處理那些需要及時(shí)響應(yīng)的特殊事件，盡可能地只給FIQ分配一個(gè)中斷源。

1.6 進(jìn)入C應(yīng)用程序

至此，系統(tǒng)各部分的初始化基本完成，可以直接從啟動(dòng)代碼轉(zhuǎn)入到應(yīng)用程序的main()函數(shù)入口。從啟動(dòng)代碼轉(zhuǎn)入到應(yīng)用程序的實(shí)例代碼如下：

IMPORT main

LDR R0，=main

BX R0

2、總結(jié)

一個(gè)優(yōu)秀的啟動(dòng)代碼將給應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)提供一個(gè)良好的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。本文中較詳細(xì)的討論了啟動(dòng)代碼的編寫(xiě)及難點(diǎn)。其中在堆棧初始化過(guò)程中要特別的注意兩點(diǎn)：

①要盡量給堆棧分配快速和高帶寬的存儲(chǔ)器。

②盡量避免過(guò)早將處理器切換到用戶模式，一般在系統(tǒng)初始化的最后階段才切換到用戶模式(用戶模式?jīng)]有權(quán)限通過(guò)修改CPSR來(lái)進(jìn)行模式切換)。

嵌入式系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，使啟動(dòng)代碼的編寫(xiě)成為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員應(yīng)該具備的能力。本文有助于正在從事嵌入式ARM開(kāi)發(fā)的讀者理解啟動(dòng)代碼的內(nèi)涵與編寫(xiě)出適合自己的啟動(dòng)代碼。