ARM開(kāi)發(fā)教程之ARM標(biāo)準(zhǔn)體系的嵌入式系統(tǒng)BSP的程序設(shè)計(jì)

ARM開(kāi)發(fā)教程之ARM體系嵌入式系統(tǒng)BSP程序設(shè)計(jì)介紹：ARM企業(yè)在32位RISCCPU開(kāi)發(fā)領(lǐng)域不停取得突破，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)從V3發(fā)展到V6。BSP（BoardSupportPackage）板級(jí)支持包介于主板硬件和操作系統(tǒng)之間，其功效和PC機(jī)上BIOS相類(lèi)似，關(guān)鍵完成硬件初始化并切換到對(duì)應(yīng)操作系統(tǒng)。BSP是相對(duì)于操作系統(tǒng)而言，不一樣操作系統(tǒng)對(duì)應(yīng)于不一樣定義形式BSP，比如VxWorksBSP和LinuxBSP相對(duì)于某一CPU來(lái)說(shuō)，盡管實(shí)現(xiàn)功效一樣，可是寫(xiě)法和接口定義是完全不一樣。另外，仔細(xì)研究所用芯片資料也十分關(guān)鍵，比如盡管ARM在內(nèi)核上兼容，但每家芯片全部有自己特色。所以這就要求BSP程序員對(duì)硬件、軟件和操作系統(tǒng)全部要有一定了解。本文介紹基于ARM體系嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)初始化部分BSP程序設(shè)計(jì)。本文引用源碼全部是基于HMS320C7202芯片設(shè)計(jì)，并已成功運(yùn)行。1ARM開(kāi)發(fā)教程之初始化過(guò)程盡管多種嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功效差異很大，但其系統(tǒng)初始化部分完成操作有很大一部分是相同。嵌入式系統(tǒng)開(kāi)啟步驟圖1所表示。1.1設(shè)置入口指針開(kāi)啟程序首先必需定義指針，而且整個(gè)應(yīng)用程序只有一個(gè)入口指針。通常地，程序在編譯鏈接時(shí)將異常中止向量表鏈接在0地址處，而且作為整個(gè)程序入口點(diǎn)。入口點(diǎn)代碼以下：ENTRY（_start）；開(kāi)始1.2ARM開(kāi)發(fā)教程之設(shè)置異常中止向量表ARM要求中止向量表必需放置在從0開(kāi)始、連續(xù)8×4字節(jié)空間內(nèi)。各異常中止向量地址和中止算是優(yōu)先級(jí)如表1：中止向量地址異常中止類(lèi)型異常中止模式優(yōu)先級(jí)（6最低）0x0復(fù)位特權(quán)模式（SVC）10x4未定義中止未定義指令中止模式（Undef)60x8軟件中止（SWI）特權(quán)模式（SVC）60x0c指令預(yù)取中止中止模式50x10數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)中止中止模式20x14保留未使用未使用0x18外部中止請(qǐng)求（IRQ）外部中止（IRQ）模式40x1c快速中止請(qǐng)求（FIQ）快速中止（FIQ）模式3

表1各異常中止中止向量地址和中止處理優(yōu)先級(jí)

中止向量地址異常中止類(lèi)型異常中止模式優(yōu)先級(jí)（6最低）0x0復(fù)位特權(quán)模式（SVC）10x4未定義中止未定義指令中止模式（Undef)60x8軟件中止（SWI）特權(quán)模式（SVC）60x0c指令預(yù)取中止中止模式50x10數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)中止中止模式20x14保留未使用未使用0x18外部中止請(qǐng)求（IRQ）外部中止（IRQ）模式40x1c快速中止請(qǐng)求（FIQ）快速中止（FIQ）模式3每當(dāng)一個(gè)中止發(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)中止類(lèi)型地址值。因?yàn)槊總€(gè)中止向量?jī)H占據(jù)放置1條ARM指令空間，所以通常放置1條跳轉(zhuǎn)指令或向程序計(jì)數(shù)器（PC）寄存器賦值數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)指令，使程序跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)異常中止處理程序?qū)嵤＜偃绠惓Ｖ兄固幚沓绦蚱鹗嫉刂沸∮?2MB，使用B跳轉(zhuǎn)指令；假如跳轉(zhuǎn)范圍大于32MB，使用LDR指令。另外，對(duì)于各未用中止，可使其指向一個(gè)只含返回指令啞函數(shù)，以預(yù)防錯(cuò)誤中止引發(fā)系統(tǒng)混亂。1.3初始化存放系統(tǒng)初始化存放系統(tǒng)編程對(duì)象是系統(tǒng)存放器控制器，一個(gè)系統(tǒng)可能存在多個(gè)存放器類(lèi)型接口，不一樣存放系統(tǒng)設(shè)計(jì)不盡相同。Flash和SRAM同屬于靜態(tài)存放器類(lèi)型，能夠適用一個(gè)存放器端口；而DRAM因?yàn)橛袆?dòng)態(tài)刷新和地址線(xiàn)復(fù)用等特征，通常配有專(zhuān)用存放器端口。其中，SDRAM必需在初始化階段進(jìn)行設(shè)置，因?yàn)榇蟛糠殖绦虼a和數(shù)據(jù)全部要在SDRAM中運(yùn)行。在HMS30C7202中，和SDRAM配置相關(guān)寄存器有4個(gè)：配置寄存器、刷新定時(shí)寄存器、寫(xiě)緩沖寫(xiě)回寄存器和等候驅(qū)動(dòng)寄存器，需要依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)此分別加以正確配置。SDRAM初始化過(guò)程以下：加電→延遲10ms（各具體SDRAM器件延時(shí)時(shí)間可能不一樣）→設(shè)置配置寄存器參數(shù)→延時(shí)→寫(xiě)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（在SDRAM內(nèi)部）。1.4ARM開(kāi)發(fā)教程之存放器地址分布重映射（remap）和MMU系統(tǒng)一上電，程序?qū)⒆詣?dòng)從0地址處開(kāi)始實(shí)施。所以，必需確保在0地址處存在正確代碼，即要求0地址開(kāi)始入是非易失性ROM或Flash等。不過(guò)因?yàn)镽OM或Flash訪(fǎng)問(wèn)速度相對(duì)較慢，每次中止響應(yīng)發(fā)生后，全部要從讀取ROM或Flash上面向量表開(kāi)始，影響了中止響應(yīng)速度。通常程序?qū)嵤┖髮DRAM映射為地址0，并把系統(tǒng)程序加載到SDRAM中運(yùn)行，其具體步驟能夠采取以下方案：（1）上電后，從0地址ROM開(kāi)始往下實(shí)施；（2）依據(jù)映射前地址，對(duì)SDRAM進(jìn)行必需代碼和數(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里取得正確指令。在這種地址映射改變過(guò)程中，程序員需要仔細(xì)考慮是：程序?qū)嵤┎襟E不能被這種改變所打斷，注意確保程序步驟在重映射前后承接關(guān)系。存放器地址分配是很靈活，能夠?qū)/O操作映射成內(nèi)存操作，也能夠經(jīng)過(guò)映射對(duì)一些不可訪(fǎng)問(wèn)地址空間進(jìn)行保護(hù)等。進(jìn)行存放器初始化設(shè)計(jì)時(shí)，一定要依據(jù)應(yīng)用程序具體要求來(lái)完成地址分配。對(duì)地址管理經(jīng)過(guò)MMU即存放器管理單元實(shí)現(xiàn)。在ARM系統(tǒng)中，MMU經(jīng)過(guò)頁(yè)式虛擬存放管理，將虛擬空間和物理空間分別分成一個(gè)個(gè)固定大小頁(yè)，并建立二者之間映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)虛擬地址到物理地址轉(zhuǎn)換。MMU還可完成存放器訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限控制和虛擬存放器空間緩沖特征設(shè)置。以下是實(shí)現(xiàn)MMU部分代碼：for=(i=1;i<0x1000;i++){pagetable[i]=(i<<20)|MMU_SECDESC;}//建立頁(yè)表，每頁(yè)大小為1MB，頁(yè)表偏移序號(hào)是物理地址高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）空間設(shè)置為不可CACHE和不可BUFFERfor(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;//將這段空間地址映射關(guān)系設(shè)置為VA（虛擬地址）=PA（物理地址）+0x1000000pagetable[0]=(0x42f00000)|MMU_SECDESC|MMU_CACHEABLE|MMU_BUFFERABLE;//將SDRAM虛擬地址0x42f00000映射到0處1．5ARM開(kāi)發(fā)教程之初始化各模式下堆棧指針因?yàn)锳RM處理器有7種實(shí)施狀態(tài)，每一個(gè)狀態(tài)堆棧指針寄存器（SP）全部是獨(dú)立（System和User三項(xiàng)式使用相同SP寄存器）。所以，對(duì)程序中需要用到每一個(gè)模式全部要給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)狀態(tài)位，使處理器切換到不一樣狀態(tài)，然后給SP賦值。這里列出代碼定義了三種模式SP指針，其中，I_Bit表示IRQ中止嚴(yán)禁位；F_Bit表示FIQ中止嚴(yán)禁位：@；SetupSVCstacktobe4Kontopofzero-initdataLDRr1,=installStackADDsp,r1,#2048@;SetupIRQandFIQstacksMOVr0,#(Mode_IRQ32|I_Bit)MSRcpsr,r0MOVr0,r0ADDsp,r1,#2048*2MOVr0,#(Mode_FIQ32|I_Bit|F_Bit)MSRcpsr,r0MOVr0,r0ADDsp,r1,#2048*3通常堆棧大小要依據(jù)需要而定，不過(guò)要盡可能給堆棧分配快速和高帶寬存放器。堆棧性能提升對(duì)系統(tǒng)性能影響是很顯著。1．6ARM開(kāi)發(fā)教程之初始化有特殊要求端口、設(shè)備有些關(guān)鍵I/O部件必需在使能IRQ和FIQ之前進(jìn)行初始化。因?yàn)榧偃缭谑鼓躀RQ和FIQ之前沒(méi)有進(jìn)行初始化，能夠產(chǎn)生假異常中止信號(hào)。程序中初始化了HMS30C7202串口1用來(lái)調(diào)試程序和其它設(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大部分功效。UART有接收緩沖/發(fā)送保持寄存器、波特率除數(shù)鎖存器、中止許可寄存器等9個(gè)寄存器。對(duì)串口1初始化關(guān)鍵是對(duì)各寄存器設(shè)置，其實(shí)現(xiàn)代碼以下所表示：_outb(ser_base+0x30,1);_outw(0x8002301c,0xffff9f9f);GPIOPORTAEnableRegister_outw(0x800230A4,0x6060);GPIOPORTAMultiFunctionelect-Registerserial_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(kāi)中止最終轉(zhuǎn)換到應(yīng)用程序運(yùn)行所需最終模式，通常是User模式。不要過(guò)早切換到User模式進(jìn)行User模式堆棧設(shè)備。因?yàn)檫M(jìn)入U(xiǎn)ser模式后就不能再操作CPRS回到別模式了，可能會(huì)對(duì)接下去程序?qū)嵤┰斐捎绊?。這時(shí)才使能異常中止，經(jīng)過(guò)清除CPRS寄存器中中止嚴(yán)禁位實(shí)現(xiàn)。假如過(guò)早地開(kāi)中止，在系統(tǒng)初始化之前就觸發(fā)了有效中止，會(huì)造成系統(tǒng)死機(jī)。1．8呼叫主應(yīng)用程序當(dāng)全部系統(tǒng)初始化工作完成后，就需要把程序步驟轉(zhuǎn)入主應(yīng)用程序。2ARM開(kāi)發(fā)教程之技術(shù)難點(diǎn)分析2．1多個(gè)語(yǔ)言混合編程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位寄存器能夠降低成本，而且16位THUMB指令集整體實(shí)施速度比ARM32位指令集快，提升了代碼密度。為了滿(mǎn)足ARM子程序和Thumb子程序相互調(diào)用，必需確保編寫(xiě)代碼遵照ATPCS。ATPCS要求了子程序調(diào)用基礎(chǔ)規(guī)則。ARM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也支持C、C++和匯編語(yǔ)言混合編程。匯編語(yǔ)言和C/C++語(yǔ)言混合編程，在一個(gè)追求效率程序中比較常見(jiàn)。很多人認(rèn)為像BSP這么底層程序應(yīng)該用純匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，其實(shí)不然。用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)程序可讀性不高，而且不宜維護(hù)，不便于向其它類(lèi)型CPU移植，而這些方面卻是C語(yǔ)言程序優(yōu)勢(shì)。BSP能否用純C語(yǔ)言去寫(xiě)呢？也不行。因?yàn)橐恍┎僮魇怯肅實(shí)現(xiàn)不了。比如操作特殊寄存器指令、CP15寄存器指令、中止使能及堆棧地址設(shè)定等。在匯編和C/C++之間函數(shù)調(diào)用時(shí)，也要遵照ATPCS定義，還要注意是用C語(yǔ)言編寫(xiě)嵌入式程序時(shí)，要避免使用不能被固化到ROM中庫(kù)函數(shù)。混合編程情況下程序編譯及鏈接后輸出代碼和沒(méi)有混合編程時(shí)是不一樣。所以當(dāng)多個(gè)源文件假如使用了不一樣設(shè)置進(jìn)行編譯，相互之間調(diào)用可能產(chǎn)生兼容性問(wèn)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信息，首先，讓編譯器能夠使用正確指令碼進(jìn)行編譯；其次，在不一樣狀態(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(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)狀況態(tài)轉(zhuǎn)換。2．2MMU實(shí)現(xiàn)過(guò)程頁(yè)表是實(shí)現(xiàn)MMU關(guān)鍵手段。頁(yè)表存放在內(nèi)存中，從虛擬地址到物理地址變換過(guò)程其實(shí)就是查詢(xún)頁(yè)表過(guò)程。大小為1MB存放塊通常被稱(chēng)為段，圖2說(shuō)明了怎樣查表進(jìn)行段式尋址全過(guò)程：32位虛擬地址可分為12位一級(jí)頁(yè)表序號(hào)和