ARM開發(fā)教程之ARM標準體系的嵌入式系統(tǒng)BSP的程序設計

ARM開發(fā)教程之ARM體系嵌入式系統(tǒng)BSP程序設計介紹：ARM企業(yè)在32位RISCCPU開發(fā)領域不停取得突破，其結構已經(jīng)從V3發(fā)展到V6。BSP（BoardSupportPackage）板級支持包介于主板硬件和操作系統(tǒng)之間，其功效和PC機上BIOS相類似，關鍵完成硬件初始化并切換到對應操作系統(tǒng)。BSP是相對于操作系統(tǒng)而言，不一樣操作系統(tǒng)對應于不一樣定義形式BSP，比如VxWorksBSP和LinuxBSP相對于某一CPU來說，盡管實現(xiàn)功效一樣，可是寫法和接口定義是完全不一樣。另外，仔細研究所用芯片資料也十分關鍵，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體系嵌入式應用系統(tǒng)初始化部分BSP程序設計。本文引用源碼全部是基于HMS320C7202芯片設計，并已成功運行。1ARM開發(fā)教程之初始化過程盡管多種嵌入式應用系統(tǒng)結構及功效差異很大，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)開啟步驟圖1所表示。1.1設置入口指針開啟程序首先必需定義指針，而且整個應用程序只有一個入口指針。通常地，程序在編譯鏈接時將異常中止向量表鏈接在0地址處，而且作為整個程序入口點。入口點代碼以下：ENTRY（_start）；開始1.2ARM開發(fā)教程之設置異常中止向量表ARM要求中止向量表必需放置在從0開始、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)先級如表1：中止向量地址異常中止類型異常中止模式優(yōu)先級（6最低）0x0復位特權模式（SVC）10x4未定義中止未定義指令中止模式（Undef)60x8軟件中止（SWI）特權模式（SVC）60x0c指令預取中止中止模式50x10數(shù)據(jù)訪問中止中止模式20x14保留未使用未使用0x18外部中止請求（IRQ）外部中止（IRQ）模式40x1c快速中止請求（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

中止向量地址異常中止類型異常中止模式優(yōu)先級（6最低）0x0復位特權模式（SVC）10x4未定義中止未定義指令中止模式（Undef)60x8軟件中止（SWI）特權模式（SVC）60x0c指令預取中止中止模式50x10數(shù)據(jù)訪問中止中止模式20x14保留未使用未使用0x18外部中止請求（IRQ）外部中止（IRQ）模式40x1c快速中止請求（FIQ）快速中止（FIQ）模式3每當一個中止發(fā)生后，ARM處理器便強制把程序計數(shù)器（PC）指針置為向量表中對應中止類型地址值。因為每個中止向量僅占據(jù)放置1條ARM指令空間，所以通常放置1條跳轉(zhuǎn)指令或向程序計數(shù)器（PC）寄存器賦值數(shù)據(jù)訪問指令，使程序跳轉(zhuǎn)到對應異常中止處理程序?qū)嵤?。假如異常中止處理程序起始地址小?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，對于各未用中止，可使其指向一個只含返回指令啞函數(shù)，以預防錯誤中止引發(fā)系統(tǒng)混亂。1.3初始化存放系統(tǒng)初始化存放系統(tǒng)編程對象是系統(tǒng)存放器控制器，一個系統(tǒng)可能存在多個存放器類型接口，不一樣存放系統(tǒng)設計不盡相同。Flash和SRAM同屬于靜態(tài)存放器類型，能夠適用一個存放器端口；而DRAM因為有動態(tài)刷新和地址線復用等特征，通常配有專用存放器端口。其中，SDRAM必需在初始化階段進行設置，因為大部分程序代碼和數(shù)據(jù)全部要在SDRAM中運行。在HMS30C7202中，和SDRAM配置相關寄存器有4個：配置寄存器、刷新定時寄存器、寫緩沖寫回寄存器和等候驅(qū)動寄存器，需要依據(jù)實際系統(tǒng)設計對此分別加以正確配置。SDRAM初始化過程以下：加電→延遲10ms（各具體SDRAM器件延時時間可能不一樣）→設置配置寄存器參數(shù)→延時→寫刷新定時寄存器，設置刷新周期→延時→使能自動刷新→延時→設置模式寄存器（在SDRAM內(nèi)部）。1.4ARM開發(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詣訌?地址處開始實施。所以，必需確保在0地址處存在正確代碼，即要求0地址開始入是非易失性ROM或Flash等。不過因為ROM或Flash訪問速度相對較慢，每次中止響應發(fā)生后，全部要從讀取ROM或Flash上面向量表開始，影響了中止響應速度。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中運行，其具體步驟能夠采取以下方案：（1）上電后，從0地址ROM開始往下實施；（2）依據(jù)映射前地址，對SDRAM進行必需代碼和數(shù)據(jù)拷貝；（3）拷貝完成后，進行重映射操作；（4）因為RAM在重映射前準備好了內(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程中，程序員需要仔細考慮是：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)過映射對一些不可訪問地址空間進行保護等。進行存放器初始化設計時，一定要依據(jù)應用程序具體要求來完成地址分配。對地址管理經(jīng)過MMU即存放器管理單元實現(xiàn)。在ARM系統(tǒng)中，MMU經(jīng)過頁式虛擬存放管理，將虛擬空間和物理空間分別分成一個個固定大小頁，并建立二者之間映射關系，從而實現(xiàn)虛擬地址到物理地址轉(zhuǎn)換。MMU還可完成存放器訪問權限控制和虛擬存放器空間緩沖特征設置。以下是實現(xiàn)MMU部分代碼：for=(i=1;i<0x1000;i++){pagetable[i]=(i<<20)|MMU_SECDESC;}//建立頁表，每頁大小為1MB，頁表偏移序號是物理地址高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系設置為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開發(fā)教程之初始化各模式下堆棧指針因為ARM處理器有7種實施狀態(tài)，每一個狀態(tài)堆棧指針寄存器（SP）全部是獨立（System和User三項式使用相同SP寄存器）。所以，對程序中需要用到每一個模式全部要給SP寄存器定義一個堆棧地址。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中止嚴禁位；F_Bit表示FIQ中止嚴禁位：@；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。堆棧性能提升對系統(tǒng)性能影響是很顯著。1．6ARM開發(fā)教程之初始化有特殊要求端口、設備有些關鍵I/O部件必需在使能IRQ和FIQ之前進行初始化。因為假如在使能IRQ和FIQ之前沒有進行初始化，能夠產(chǎn)生假異常中止信號。程序中初始化了HMS30C7202串口1用來調(diào)試程序和其它設備通信。串口1是一個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個寄存器。對串口1初始化關鍵是對各寄存器設置，其實現(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，開中止最終轉(zhuǎn)換到應用程序運行所需最終模式，通常是User模式。不要過早切換到User模式進行User模式堆棧設備。因為進入User模式后就不能再操作CPRS回到別模式了，可能會對接下去程序?qū)嵤┰斐捎绊憽＿@時才使能異常中止，經(jīng)過清除CPRS寄存器中中止嚴禁位實現(xiàn)。假如過早地開中止，在系統(tǒng)初始化之前就觸發(fā)了有效中止，會造成系統(tǒng)死機。1．8呼叫主應用程序當全部系統(tǒng)初始化工作完成后，就需要把程序步驟轉(zhuǎn)入主應用程序。2ARM開發(fā)教程之技術難點分析2．1多個語言混合編程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指令集整體實施速度比ARM32位指令集快，提升了代碼密度。為了滿足ARM子程序和Thumb子程序相互調(diào)用，必需確保編寫代碼遵照ATPCS。ATPCS要求了子程序調(diào)用基礎規(guī)則。ARM系統(tǒng)結構也支持C、C++和匯編語言混合編程。匯編語言和C/C++語言混合編程，在一個追求效率程序中比較常見。很多人認為像BSP這么底層程序應該用純匯編語言編寫，其實不然。用匯編語言編寫程序可讀性不高，而且不宜維護，不便于向其它類型CPU移植，而這些方面卻是C語言程序優(yōu)勢。BSP能否用純C語言去寫呢？也不行。因為一些操作是用C實現(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定等。在匯編和C/C++之間函數(shù)調(diào)用時，也要遵照ATPCS定義，還要注意是用C語言編寫嵌入式程序時，要避免使用不能被固化到ROM中庫函數(shù)?；旌暇幊糖闆r下程序編譯及鏈接后輸出代碼和沒有混合編程時是不一樣。所以當多個源文件假如使用了不一樣設置進行編譯，相互之間調(diào)用可能產(chǎn)生兼容性問題，對此一定要加以仔細考慮。編譯時，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行編譯；其次，在不一樣狀態(tài)之間發(fā)生函數(shù)調(diào)用時，鏈接器將插入一段鏈接代碼（veneers）來實現(xiàn)實狀況態(tài)轉(zhuǎn)換。2．2MMU實現(xiàn)過程頁表是實現(xiàn)MMU關鍵手段。頁表存放在內(nèi)存中，從虛擬地址到物理地址變換過程其實就是查詢頁表過程。大小為1MB存放塊通常被稱為段，圖2說明了怎樣查表進行段式尋址全過程：32位虛擬地址可分為12位一級頁表序號和