在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)從RAM快速引導(dǎo)技術(shù)

摘    要: 本文以ARM7TDMI為例，對嵌入式系統(tǒng)從ROM和RAM引導(dǎo)的特點及技術(shù)實現(xiàn)進(jìn)行了比較，對異常和中斷概念給出了詳細(xì)的辨析，介紹了如何實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)從RAM快速引導(dǎo)技術(shù)。
前言
嵌入式系統(tǒng)是以各種嵌入式微處理器為內(nèi)核，運行RTOS的面向應(yīng)用的計算機(jī)控制系統(tǒng)，也是SOC技術(shù)的一個重要分支。ARM 是一個IP(知識產(chǎn)權(quán))公司，以arm體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的各種RISC 微處理器針對不同應(yīng)用領(lǐng)域提供了不同的指令集(ARM、THUMB、DSP、XSCALE)可以為各種實時應(yīng)用提供靈活的選擇。
在研制開發(fā)基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)過程中，如何讓系統(tǒng)正常快速的啟動是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文主要分析討論嵌入式系統(tǒng)啟動的問題。相關(guān)代碼以ArmStd2.51IDE環(huán)境為參考。

幾個相關(guān)的概念
Arm/Thumb狀態(tài)
Arm，Thumb分別是ARM處理器的32/16bits的指令集，對應(yīng)處理器的兩種執(zhí)行狀態(tài)。
異常(Exception)
由內(nèi)/外部源引起的需要處理器干預(yù)的一個事件，每種異常模式有自己的特殊功能寄存器，堆棧。處理異常需要保護(hù)處理器的當(dāng)前狀態(tài)，以便在異常處理后可以恢復(fù)執(zhí)行。當(dāng)異常發(fā)生時，系統(tǒng)強(qiáng)制從固定的地址執(zhí)行程序,                                                如表1 所示。
無論在Arm/Thumb狀態(tài)進(jìn)入異常，處理程序都是在Arm狀態(tài)下執(zhí)行，PC->R14和CPSR->SPSR保存PC和處理器狀態(tài)，返回時CPSR->SPSR,R14->PC。
中斷處理
ARM提供了兩種中斷源IRQ，F(xiàn)IQ，發(fā)生中斷時，會進(jìn)入相應(yīng)的IRQ，F(xiàn)IQ異常模式，然后異常處理程序會識別不同的中斷，調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。所以中斷只是異常的一個子集。未用中斷通常指向一個啞函數(shù)。
在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)正確的辨析異常和中斷。

系統(tǒng)啟動(start-up)
嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序通常都是固化在ROM中運行。通常用匯編語言編寫啟動程序完成系統(tǒng)硬件和軟件運行環(huán)境的初始化。啟動程序與應(yīng)用程序一起固化在ROM中。系統(tǒng)在上電和復(fù)位會跳到復(fù)位異常向量入口地址處。
在目標(biāo)文件中，代碼、數(shù)據(jù)放在不同的段中。源文件編譯鏈接生成含.data、.text段的目標(biāo)文件，且鏈接器生成的.data段是以系統(tǒng)RAM為參考地址，故在系統(tǒng)啟動時需要拷貝ROM中的.data段到RAM，以完成對RAM的初始化?？截悘?text結(jié)束位置開始，一般以2kbytes對齊取到下一個2kbytes，確定data的初始位置。這樣，就定位.data 、.text段在鏈接文件中所確定的鏈接位置。
CPU對ROM或Flash ROM訪問速度慢，在一定程度上降低了系統(tǒng)的性能。當(dāng)ROM在地址0x0時，ARM內(nèi)核使用ROM 0x0 到0x1c作為異常向量區(qū)，那么當(dāng)異常發(fā)生的時候，CPU訪問ROM區(qū)的入口。我們可以在RAM建立異常向量表鏡像，這樣可以提高系統(tǒng)的性能(鏡像建立)。最優(yōu)的方法，就是讓系統(tǒng)RAM配置在0x0，把初始化程序放在RAM中運行(RAM啟動)，建立異常向量表的自己對應(yīng)關(guān)系。
為了實現(xiàn)異常的快速處理：
1、 在圖2，虛線框中表示的是當(dāng)RAM在0x0時的情況，這是一種直接對應(yīng)的關(guān)系。直接在向量入口處放置sys_**_handler處理程序。
2、 當(dāng)ROM在0x0時需要建立了一種鏡像的關(guān)系。地址指針表示對應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲單元的物理地址，**_hander表示對應(yīng)的處理程序在ROM的入口。Handle**是物理的存儲單元地址，里面放置了處理程序的入口指針。異常發(fā)生時經(jīng)過**_handler---handler**---sys_**_handler的過程。Handler**定義在RAM中。

圖1 在文件、ROM、運行時段的分配


圖2 ROM/RAM 啟動時異常向量表比較


圖3 從RAM啟動時的過程

啟動過程分析
設(shè)置異常向量 
ARM7要求中斷向量表必須設(shè)置在從0地址開始，連續(xù)8×4字節(jié)的空間，具體分配如表1。如果ROM定位于0地址，向量表包含一系列指令跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序，否則應(yīng)使用一串位置無關(guān)代碼(PIC)處理，使用直接加載PC指針的指令?？梢栽趩映绦蛑刑砑右欢未a，使其在運行時將這段PIC指令拷貝到對應(yīng)地址開始的存儲器空間。
這段代碼建立了ROM中的異常入口地址和RAM中的處理代碼的鏡像關(guān)系。這種處理需要在RAM中手動的建立異常向量表,從RAM啟動時不需要。(以FIQ的處理為例)
FIQ_Handler /*  從這里開始進(jìn)入FIQ異常模式，*/
SUB sp, sp, #4
STMFD  sp!, {r0}/*裝入并減一個字,使用r0，應(yīng)該首先壓入堆棧*/
LDR r0, =HandleFiq  /*從這里開始進(jìn)入在RAM中的異常處理程序*/
LDR r0, [r0]
STR r0, [sp, #4]
LDMFD  sp!, {r0, pc} /*返回退出FIQ異常處理模式*/
異常處理程序                   
Sys_Fiq_Handler                   
IMPORT ISR_FiqHandler    /*進(jìn)入異常處理，保存寄存器，每種模式有自己的分組寄存器(banked registers)*/       
STMFD sp!, {r0-r7, lr}  /*發(fā)生*/
BL ISR_FiqHandler    /*進(jìn)入異常處理程序*/
LDMFD sp!, {r0-r7, lr}
SUBS pc, lr, #4  /*恢復(fù)寄存器，退出異常處理模式*/
對比具體的討論從ROM/RAM啟動的實現(xiàn)代碼
(說明【1】從RAM啟動  【2】從ROM啟動)
AREA    Init, CODE, READONLY  //初始化代碼
    ENTRY  /*設(shè)置入口指針*/
/*啟動程序首先必須定義入口指針，而且整個應(yīng)用程序只有一個入口指針
*/
    IF :DEF: ROM_AT_ADDRESS_ZERO
B      Reset_Handler        B      Reset_Handler
B      **_Handler          B      sys_**_Handler
    建立鏡像關(guān)系【2】                    直接跳轉(zhuǎn)【1】。
    ELSE   
/*如果不是從ROM在0x0啟動，那么必須把直接加載指令拷貝到0x0位置，這是必須使用ldr完成*/
        MOV    R8, #0
/*ADR偽指令把PC相關(guān)的地址裝入寄存器*/
        ADR    R9, Vector_Init_Block
      /* 塊加載存儲指令，IA ＝ 加載后繼增*/
        LDMIA  R9!, {R0-R7}
STMIA  R8!, {R0-R7}
LDMIA  R9!, {R0-R7}
STMIA  R8!, {R0-R7} 
把這些指令放在0x0的位置，實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)。直接加載相應(yīng)的處理程序的地址到PC指針。 
Vector_Init_Block  //如果不是從rom在0x0啟動，這里是一組直接加載PC的指令
LDR PC, Reset_Addr /*在執(zhí)行拷貝過程建立了異常處理，繼續(xù)執(zhí)行Reset_Handler*/
。。。。。。。。。。。。。。。。。。
LDR    PC, **_Addr
/*定義 地址指針Reset_Addr 其值為reset_Handler*/ 
Reset_Addr  DCD    Reset_Handler
。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
**_addr DCD    **_handler
    ENDIF
AREA Main, CODE, READONLY  //配置存儲器，為運行程序作準(zhǔn)備。
從這里進(jìn)入reset異常處理模式
          EXPORT Reset_Handler
Reset_Handler ;/* 復(fù)位入口點，關(guān)閉所有中斷 */
LDR r1, =IntMask
LDR r0, =0xFFFFFFFF
STR r0, [r1]
INITIALIZE_STACK  /*初始化堆棧*/
。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
LDR sp, =SUP_STACK  ; 改變CPSR，進(jìn)入SVC模式
SYNC_DRAM_CONFIGURATION  配置RAM空間
LDR r0, =0x3FF0000
LDR r1, =0x83FFFF90  ; 賦值 = 0x83FFFF91
STR r1, [r0]   ; 特殊功能寄存器Start_addr = 0x3FF00000
;ROM 和 RAM空間配置
    ;ADRL    r0, SysInitDataSDRAM【1】
    LDR    r0, =SysInitDataSDRAM【2】
LDMIA  r0, {r1-r12}
LDR r0, =0x3FF0000 + 0x3010 ; ROMCntr Offset : 0x3010
STMIA  r0, {r1-r12}
在RAM中建立異常向量表的鏡像入口?！?】
EXCEPTION_VECTOR_TABLE_SETUP
LDR r0, =HandleReset ; 分配的異常向量表在存儲區(qū)的位置.
LDR r1, =ExceptionHandlerTable ; 異常向量表
MOV r2, #8;  向量數(shù)
ExceptLoop     /*建立過程*/
LDR r3, [r1], #4
STR r3, [r0], #4
SUBS r2, r2, #1;
BNE ExceptLoop
把代碼從ROM拷貝到RAM【1】
ROM2SDRAM_COPY_START
LDR r0, =|Image$$RO$$Base| ;
指向  ROM 數(shù)據(jù)的指針
LDR r1, =|Image$$RO$$Limit| ;
LDR r2, =DRAM_BASE ;
RAM區(qū)的基地址
SUB r1, r1, r0 ; [r1] 循環(huán)計數(shù)
ADD r1, r1, #4 ; [r1]
ROM2SDRAM_COPY_LOOP
LDR r3, [r0], #4
STR r3, [r2], #4
SUBS r1, r1, #4 ; 減計數(shù)
BNE ROM2SDRAM_COPY_LOOP
改變ROM ,RAM的基地址
ADRL r0, SysInitDataSDRAM_S
/*裝載新的地址表，重新配置ROM和RAM*/
LDMIA r0, {r1-r12}
LDR r0, =0x3FF0000 + 0x3010 ;
ROMCntr 偏移地址值 : 0x3010
STMIA r0, {r1-r12}
異常模式下堆棧的初始化
系統(tǒng)堆棧初始化取決于用戶使用了哪些中斷，以及系統(tǒng)需要處理哪些錯誤類型。一般來說管理者堆棧必須設(shè)置，如果使用了IRQ中斷，則IRQ堆棧也必須設(shè)置。
初始化C語言所需的存儲器空間：拷貝初始化數(shù)據(jù)
改變到用戶模式并設(shè)置用戶堆棧
MRS    r0, cpsr
BIC r0, r0, #LOCKOUT | MODE_MASK
ORR r1, r0, #USR_MODE
MSR cpsr_cf, r0
LDR sp, =USR_STACK
呼叫C程序
; 進(jìn)入C程序  IMPORT  C_Entry
      BL      C_Entry
AREA ROMDATA, DATA, READONLY  在ROM中定義的常量
SysInitDataSDRAM  特殊功寄存器常量的定義的入口地址
SysInitDataSDRAM_S
/* 用于在ROM啟動時建立異常向量表鏡像的地址定義，存放的是異常發(fā)生時跳轉(zhuǎn)的地址，是異常處理程序的入口，這個表的位置可以自己分配。

  異常向量表【2】
      ^    DRAM_BASE
HandleReset # 4
HandleUndef # 4
HandleSwi # 4
HandlePrefetch # 4
HandleAbort # 4
HandleReserv # 4
HandleIrq # 4
HandleFiq # 4

圖4 ROM/RAM啟動系統(tǒng)存儲器映射

結(jié)語
在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的過程中，對基本原理的深刻理解有利于設(shè)計優(yōu)化。本文詳細(xì)辨析了嵌入式設(shè)計在系統(tǒng)啟動時一些概念，最后在上述分析的基礎(chǔ)上給出了實現(xiàn)從RAM快速啟動的具體步驟。