基于ARM的嵌入式BSP的程序設(shè)計(jì)解析

ARM公司在32位RISC的CPU開(kāi)發(fā)領(lǐng)域不斷取得突破，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)從V3發(fā)展到V6。
　　BSP（Board Support Package）板級(jí)支持包介于主板硬件和操作系統(tǒng)之間，其功能與PC機(jī)上的BIOS相類(lèi)似，主要完成硬件初始化并切換到相應(yīng)的操作系統(tǒng)。BSP是相對(duì)于操作系統(tǒng)而言的，不同的操作系統(tǒng)對(duì)應(yīng)于不同定義形式的BSP，例如VxWorks的BSP和Linux的BSP相對(duì)于某一CPU來(lái)說(shuō)，盡管實(shí)現(xiàn)的功能一樣，可是寫(xiě)法和接口定義是完全不同的。另外，仔細(xì)研究所用的芯片資料也十分重要，例如盡管ARM在內(nèi)核上兼容，但每家芯片都有自己的特色。所以這就要求BSP程序員對(duì)硬件、軟件和操作系統(tǒng)都要有一定的了解。
　　本文介紹基于ARM體系的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)初始化部分BSP的程序設(shè)計(jì)。本文引用的源碼全部是基于HMS320C7202芯片設(shè)計(jì)，并已成功運(yùn)行。
　　1 初始化過(guò)程
　　盡管各種嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能差別很大，但其系統(tǒng)初始化部分完成的操作有很大一部分是相似的。嵌入式系統(tǒng)的啟動(dòng)流程如圖1所示。
　　1.1 設(shè)置入口指針
　　啟動(dòng)程序首先必須定義指針，而且整個(gè)應(yīng)用程序只有一個(gè)入口指針。一般地，程序在編譯鏈接時(shí)將異常中斷向量表鏈接在0地址處，并且作為整個(gè)程序入口點(diǎn)。入口點(diǎn)代碼如下：
　　ENTRY（_start） ；開(kāi)始
　　1.2 設(shè)置異常中斷向量表
　　ARM要求中斷向量表必須放置在從0開(kāi)始、連續(xù)8×4字節(jié)的空間內(nèi)。各異常中斷向量地址以及中斷的算是優(yōu)先級(jí)如表1：
　　表1 各異常中斷的中斷向量地址以及中斷的處理優(yōu)先級(jí)
　　中斷向量地址 異常中斷類(lèi)型 異常中斷模式 優(yōu)先級(jí)（6最低）
　　0x0 復(fù)位 特權(quán)模式（SVC） 1
　　0x4 未定義中斷 未定義指令中止模式（Undef） 6
　　0x8 軟件中斷（SWI） 特權(quán)模式（SVC） 6
　　0x0c 指令預(yù)取中止 中止模式 5
　　0x10 數(shù)據(jù)訪問(wèn)中止 中止模式 2
　　0x14 保留 未使用 未使用
　　0x18 外部中斷請(qǐng)求（IRQ） 外部中斷（IRQ）模式 4
　　0x1c 快速中斷請(qǐng)求（FIQ） 快速中斷（FIQ）模式 3
　　每當(dāng)一個(gè)中斷發(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)中斷類(lèi)型的地址值。因?yàn)槊總€(gè)中斷向量?jī)H占據(jù)放置1條ARM指令的空間，所以通常放置1條跳轉(zhuǎn)指令或向程序計(jì)數(shù)器（PC）寄存器賦值的數(shù)據(jù)訪問(wèn)指令，使程序跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常中斷處理程序執(zhí)行。如果異常中斷處理程序起始地址小于32MB，使用B跳轉(zhuǎn)指令；如果跳轉(zhuǎn)范圍大于32MB，使用LDR指令。
　　另外，對(duì)于各未用中斷，可使其指向一個(gè)只含返回指令的啞函數(shù)，以防止錯(cuò)誤中斷引起系統(tǒng)的混亂。
　　1.3 初始化存儲(chǔ)系統(tǒng)
　　初始化存儲(chǔ)系統(tǒng)的編程對(duì)象是系統(tǒng)的存儲(chǔ)器控制器，一個(gè)系統(tǒng)可能存在多種存儲(chǔ)器類(lèi)型的接口，不同的存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不盡相同。Flash和SRAM同屬于靜態(tài)存儲(chǔ)器類(lèi)型，可以合用一個(gè)存儲(chǔ)器端口；而DRAM因?yàn)橛袆?dòng)態(tài)刷新和地址線復(fù)用等特性，通常配有專用的存儲(chǔ)器端口。其中，SDRAM必須在初始化階段進(jìn)行設(shè)置，因?yàn)榇蟛糠值?a href='http://ttokpm.com/v/tag/1780/' target='_blank' class='arckwlink_none'>程序代碼和數(shù)據(jù)都要在SDRAM中運(yùn)行。
　　在HMS30C7202中，與SDRAM配置有關(guān)的寄存器有4個(gè)：配置寄存器、刷新定時(shí)寄存器、寫(xiě)緩沖寫(xiě)回寄存器和等待驅(qū)動(dòng)寄存器，需要根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)此分別加以正確配置。
　　SDRAM的初始化過(guò)程如下：加電→延遲10ms（各具體SDRAM器件延時(shí)時(shí)間可能不同）→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（位于SDRAM內(nèi)部）。
　　1.4 存儲(chǔ)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)始執(zhí)行。因此，必須保證在0地址處存在正確的代碼，即要求0地址開(kāi)始入是非易失性的ROM或Flash等。但是因?yàn)镽OM或Flash的訪問(wèn)速度相對(duì)較慢，每次中斷響應(yīng)發(fā)生后，都要從讀取ROM或Flash上面的向量表開(kāi)始，影響了中斷響應(yīng)速度。一般程序執(zhí)行后將SDRAM映射為地址0，并把系統(tǒng)程序加載到SDRAM中運(yùn)行，其具體步驟可以采用以下的方案：
　　（1）上電后，從0地址的ROM開(kāi)始往下執(zhí)行；
　?。?）根據(jù)映射前的地址，對(duì)SDRAM進(jìn)行必要的代碼和數(shù)據(jù)拷貝；
　?。?）拷貝完成后，進(jìn)行重映射操作；
　?。?）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里取得正確的指令。
　　在這種地址映射的變化過(guò)程中，程序員需要仔細(xì)考慮的是：程序的執(zhí)行流程不能被這種變化所打斷，注意保證程序流程在重映射前后的承接關(guān)系。
　　存儲(chǔ)器的地址分配是很靈活的，可以將I/O操作映射成內(nèi)存操作，也可以通過(guò)映射對(duì)某些不可訪問(wèn)的地址空間進(jìn)行保護(hù)等。進(jìn)行存儲(chǔ)器初始化設(shè)計(jì)時(shí)，一定要根據(jù)應(yīng)用程序的具體要求來(lái)完成地址分配。對(duì)地址管理通過(guò)MMU即存儲(chǔ)器管理單元實(shí)現(xiàn)。
　　在ARM系統(tǒng)中，MMU通過(guò)頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)管理，將虛擬空間和物理空間分別分成一個(gè)個(gè)固定大小的頁(yè)，并建立兩者之間的映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。MMU還可完成存儲(chǔ)器訪問(wèn)權(quán)限的控制和虛擬存儲(chǔ)器空間緩沖特性的設(shè)置。
　　以下是實(shí)現(xiàn)MMU的部分代碼：
　　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;
　　//將SDRAM_BASE至（SDRAM_BASE+SDRAM_SIZE/2）空間的設(shè)置為不可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|MMU_BUFFERABLE;
　　//將這段空間的地址映射關(guān)系設(shè)置為VA（虛擬地址）=PA（物理地址）+0x1000000
　　pagetable［0］=（0x42f00000）|MMU_SECDESC|MMU_CACHEABLE|MMU_BUFFERABLE;
　　//將SDRAM的虛擬地址0x42f00000映射到0處
　　1．5 初始化各模式下的堆棧指針
　　因?yàn)锳RM處理器有7種執(zhí)行狀態(tài)，每一種狀態(tài)的堆棧指針寄存器（SP）都是獨(dú)立的（System和User三項(xiàng)式使用相同SP寄存器）。因此，對(duì)程序中需要用到的每一種模式都要給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)的狀態(tài)位，使處理器切換到不同的狀態(tài)，然后給SP賦值。這里列出的代碼定義了三種模式的SP指針，其中，I_Bit表示IRQ的中斷禁止位；F_Bit表示FIQ的中斷禁止位：
　　@；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
　　一般堆棧的大小要根據(jù)需要而定，但是要盡可能給堆棧分配快速和高帶寬的存儲(chǔ)器。堆棧性能的提高對(duì)系統(tǒng)性能的影響是非常明顯的。
　　1．6 初始化有特殊要求的端口、設(shè)備
　　有些關(guān)鍵的I/O部件必須在使能IRQ和FIQ之前進(jìn)行初始化。因?yàn)槿绻谑鼓躀RQ和FIQ之前沒(méi)有進(jìn)行初始化，可以產(chǎn)生假的異常中斷信號(hào)。程序中初始化了HMS30C7202的串口1用來(lái)調(diào)試程序與其它設(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的大部分功能。UART有接收緩沖/發(fā)送保持寄存器、波特率除數(shù)鎖存器、中斷允許寄存器等9個(gè)寄存器。對(duì)串口1的初始化主要是對(duì)各寄存器的設(shè)置，其實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：
　　_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 切換處理器模式，開(kāi)中斷
　　最后轉(zhuǎn)換到應(yīng)用程序運(yùn)行所需的最終模式，一般是User模式。不要過(guò)早切換到User模式進(jìn)行User模式的堆棧設(shè)備。因?yàn)檫M(jìn)入U(xiǎn)ser模式后就不能再操作CPRS回到別的模式了，可能會(huì)對(duì)接下去的程序執(zhí)行造成影響。
　　這時(shí)才使能異常中斷，通過(guò)清除CPRS寄存器中的中斷禁止位實(shí)現(xiàn)。如果過(guò)早地開(kāi)中斷，在系統(tǒng)初始化之前就觸發(fā)了有效中斷，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的死機(jī)。