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ARM嵌入式系统BSP的程序设计


ARM 体系的嵌入式系统 BSP 的程序设计
ARM 公司在 32 位 RISC 的 CPU 开发领域不断取得突破,其结构已经从 V3 发 展到 V6. BSP(Board Support Package)板级支持包介于主板硬件和操作系统之间, 其功能与 PC 机上的 BIOS 相类似, 主要完成硬件初始化并切换到相应的操作系统. BSP 是相对于操作系统而言的,不同的操作系统对应于不同定义形式的 BSP,例 如 VxWorks 的 BSP 和 Linux 的 BSP 相对于某一 CPU 来说,尽管实现的功能一样, 可是写法和接口定义是完全不同的. 另外, 仔细研究所用的芯片资料也十分重要, 例如尽管 ARM 在内核上兼容,但每家芯片都有自己的特色.所以这就要求 BSP 程序员对硬件,软件和操作系统都要有一定的了解. 本文 本文介绍基于 ARM 体系的嵌入式应用系统初始化部分 BSP 的程序设计. 引用的源码全部是基于 HMS320C7202 芯片设计,并已成功运行. 1 初始化过程 尽管各种嵌入式应用系统的结构及功能差别很大, 但其系统初始化部分完成 的操作有很大一部分是相似的.嵌入式系统的启动流程如图 1 所示. 1.1 设置入口指针 启动程序首先必须定义指针, 而且整个应用程序只有一个入口指针. 一般地, 程序在编译链接时将异常中断向量表链接在 0 地址处,并且作为整个程序入口 点.入口点代码如下: ENTRY(_start) ;开始 1.2 设置异常中断向量表 ARM 要求中断向量表必须放置在从 0 开始,连续 8×4 字节的空间内.各异 常中断向量地址以及中断的算是优先级如表 1: 优先级(6 最 低) 1 6 6 5

中断向量地址 0x0 0x4 0x8 0x0c

异常中断类型 复位 未定义中断 软件中断(SWI) 指令预取中止

异常中断模式 特权模式(SVC) 未定义指令中止模式 (Undef) 特权模式(SVC) 中止模式

0x10 0x14 0x18 0x1c

数据访问中止 保留

中止模式 未使用

2 未使用 4 3

外部中断请求(IRQ) 外部中断(IRQ)模式 快速中断请求(FIQ) 快速中断(FIQ)模式

表 1 各异常中断的中断向量地址以及中断的处理优先级 中断向量地址 异常中断类型 异常中断模式 优先级(6 最低) 0x0 复位 特权模式(SVC) 1 0x4 未定义中断 未定义指令中止模式(Undef) 6 0x8 软件中断(SWI) 特权模式(SVC) 6 0x0c 指令预取中止 中止模式 5 0x10 数据访问中止 中止模式 2 0x14 保留 未使用 未使用 0x18 外部中断请求(IRQ) 外部中断(IRQ)模式 4 0x1c 快速中断请求(FIQ) 快速中断(FIQ)模式 3 每当一个中断发生后,ARM 处理器便强制把程序计数器(PC)指针置为向量 表中对应中断类型的地址值. 因为每个中断向量仅占据放置 1 条 ARM 指令的空间, 所以通常放置 1 条跳转指令或向程序计数器(PC)寄存器赋值的数据访问指令, 使程序跳转到相应的异常中断处理程序执行. 如果异常中断处理程序起始地址小 于 32MB,使用 B 跳转指令;如果跳转范围大于 32MB,使用 LDR 指令. 另外,对于各未用中断,可使其指向一个只含返回指令的哑函数,以防止错 误中断引起系统的混乱. 1.3 初始化存储系统 初始化存储系统的编程对象是系统的存储器控制器, 一个系统可能存在多种 存储器类型的接口,不同的存储系统的设计不尽相同.Flash 和 SRAM 同属于静 态存储器类型,可以合用一个存储器端口;而 DRAM 因为有动态刷新和地址线复 用等特性,通常配有专用的存储器端口.其中,SDRAM 必须在初始化阶段进行设 置,因为大部分的程序代码和数据都要在 SDRAM 中运行. 在 HMS30C7202 中,与 SDRAM 配置有关的寄存器有 4 个:配置寄存器,刷新 定时寄存器,写缓冲写回寄存器和等待驱动寄存器,需要根据实际的系统设计对 此分别加以正确配置. SDRAM 的初始化过程如下:加电→延迟 10ms(各具体 SDRAM 器件延时时间可 能不同)→设置配置寄存器参数→延时→写刷新定时寄存器,设置刷新周期→延 时→使能自动刷新→延时→设置模式寄存器(位于 SDRAM 内部).

1.4 存储器地址分布重映射(remap)和 MMU 系统一上电,程序将自动从 0 地址处开始执行.因此,必须保证在 0 地址处 存在正确的代码,即要求 0 地址开始入是非易失性的 ROM 或 Flash 等.但是因为 ROM 或 Flash 的访问速度相对较慢,每次中断响应发生后,都要从读取 ROM 或 Flash 上面的向量表开始,影响了中断响应速度.一般程序执行后将 SDRAM 映射 为地址 0, 并把系统程序加载到 SDRAM 中运行, 其具体步骤可以采用以下的方案: (1)上电后,从 0 地址的 ROM 开始往下执行; (2)根据映射前的地址,对 SDRAM 进行必要的代码和数据拷贝; (3)拷贝完成后,进行重映射操作; (4)因为 RAM 在重映射前准备好了内容,使得 PC 指针能继续在 RAM 里取得 正确的指令. 在这种地址映射的变化过程中,程序员需要仔细考虑的是:程序的执行流程 不能被这种变化所打断,注意保证程序流程在重映射前后的承接关系. 存储器的地址分配是很灵活的,可以将 I/O 操作映射成内存操作,也可以通 过映射对某些不可访问的地址空间进行保护等.进行存储器初始化设计时,一定 要根据应用程序的具体要求来完成地址分配. 对地址管理通过 MMU 即存储器管理 单元实现. 在 ARM 系统中,MMU 通过页式虚拟存储管理,将虚拟空间和物理空间分别分 成一个个固定大小的页,并建立两者之间的映射关系,从而实现虚拟地址到物理 地址的转换.MMU 还可完成存储器访问权限的控制和虚拟存储器空间缓冲特性的 设置. 以下是实现 MMU 的部分代码: for=(i=1;i<0x1000;i++){pagetable[i]=(i<<20)|MMU_SECDESC;} //建立 页表,每页大小为 1MB,页表偏移序号是物理地址的高 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 ; //将 SDRAM_BASE 至(SDRAM_BASE+SDRAM_SIZE/2)空间的设置为不可 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|MM U_BUFFERABLE; //将这段空间的地址映射关系设置为 VA(虚拟地址)=PA(物理地址) +0x1000000pagetable[0]=(0x42f00000)|MMU_SECDESC|MMU_CACHEABLE|MMU_BUF FERABLE; //将 SDRAM 的虚拟地址 0x42f00000 映射到 0 处 1.5 初始化各模式下的堆栈指针 因为 ARM 处理器有 7 种执行状态,每一种状态的堆栈指针寄存器(SP)都是 独立的(System 和 User 三项式使用相同 SP 寄存器).因此,对程序中需要用 到的每一种模式都要给 SP 寄存器定义一个堆栈地址. 方法是改变状态寄存器(CPSR)内的状态位,使处理器切换到不同的状态,然后 给 SP 赋值.这里列出的代码定义了三种模式的 SP 指针,其中,I_Bit 表示 IRQ 的中断禁止位;F_Bit 表示 FIQ 的中断禁止位: @;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

一般堆栈的大小要根据需要而定, 但是要尽可能给堆栈分配快速和高带宽的 存储器.堆栈性能的提高对系统性能的影响是非常明显的. 1.6 初始化有特殊要求的端口,设备 有些关键的 I/O 部件必须在使能 IRQ 和 FIQ 之前进行初始化. 因为如果在使 能 IRQ 和 FIQ 之前没有进行初始化,可以产生假的异常中断信号.程序中初始化 了 HMS30C7202 的串口 1 用来调试程序与其它设备通信.串口 1 是一个通用全双 工异步接收/发送器(UART),它支持 16C550 的大部分功能.UART 有接收缓冲/ 发送保持寄存器,波特率除数锁存器,中断允许寄存器等 9 个寄存器.对串口 1 的初始化主要是对各寄存器的设置,其实现代码如下所示: _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 切换处理器模式,开中断 最后转换到应用程序运行所需的最终模式,一般是 User 模式.不要过早切 换到 User 模式进行 User 模式的堆栈设备.因为进入 User 模式后就不能再操作 CPRS 回到别的模式了,可能会对接下去的程序执行造成影响. 这时才使能异常中断,通过清除 CPRS 寄存器中的中断禁止位实现.如果过

早地开中断,在系统初始化之前就触发了有效中断,会导致系统的死机. 1.8 呼叫主应用程序 当所有的系统初始化工作完成后,就需要把程序流程转入主应用程序. 2 技术难点分析 2.1 多种语言的混合编程 ARM 有两种汇编指令集: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 指令集整体执行速度比 ARM 32 位指 令集快,提高了代码密度.为了满足 ARM 子程序和 Thumb 子程序互相调用,必须 保证编写的代码遵循 ATPCS.ATPCS 规定了子程序调用的基本规则. ARM 系统结构也支持 C,C++以及汇编语言的混合编程.汇编语言和 C/C++语 言的混合编程,在一个追求效率的程序中比较常见.许多人认为像 BSP 这样底层 的程序应该用纯汇编语言编写,其实不然.用汇编语言编写的程序可读性不高, 而且不宜维护,不便于向其它类型的 CPU 移植,而这些方面却是 C 语言程序的优 势.BSP 能否用纯 C 语言去写呢?也不行.因为某些操作是用 C 实现不了的.例 如操作特殊寄存器的指令,CP15 寄存器的指令,中断使能及堆栈地址的设定等. 在汇编和 C/C++之间的函数调用时,也要遵循 ATPCS 的定义,还要注意的是用 C 语言编写嵌入式程序时,要避免使用不能被固化到 ROM 中的库函数. 混合编程情况下的程序编译及链接后的输出代码与没有混合编程时是不同 的.所以当多个源文件如果使用了不同的设置进行编译,相互之间的调用可能产 生兼容性问题,对此一定要加以仔细考虑.编译时,要告诉编译器和链接器足够 的信息,一方面,让编译器能够使用正确的指令码进行编译;另一方面,在不同 的状态之间发生函数调用时,链接器将插入一段链接代码(veneers)来实现状 态转换. 2.2 MMU 的实现过程 页表是实现 MMU 的重要手段.页表存放在内存中,从虚拟地址到物理地址的 变换过程其实就是查询页表的过程.大小为 1MB 的存储块通常被称为段, 图 2 说明了如何查表进行段式寻址的全过程:32 位的虚拟地址可分为 12 位的一 级页表序号和 20 位的段内地址偏移.12 位的一级页表序号和 CP15 寄存器的 C2 中的 18 位变换表基址合并成一级描述符地址查表找出相应的一级描述符; 然后, 段对应的物理基地址与段内地址偏移量合并成为真正的存储器存取地址即物理 地址,读出相应数据. 本文介绍的 BSP 程序已经在以 HMS30C7202 为主芯片的开发系统上运行并测 试通过,并且成功地引导了 Linux 内核,文中引用代码可以直接使用.今后可以

在此基础上添加命令行解释程序,在引导操作系统前进行存存储器的读写等,扩 展开发系统的功能.


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