ARM處理器啟動(dòng)代碼的分析與設(shè)計(jì)

arm體系結(jié)構(gòu)

目前，arm系列的通用32位risc微處理器有arm７、arm９、arm９ｅ、arm１０等多個(gè)產(chǎn)品，這些處理器可以工作于7種模式下。除user模式以外的其它模式都叫做特權(quán)模式，除user和system以外的其它5種模式叫做異常模式。大部分應(yīng)用程序都在user模式下運(yùn)行，當(dāng)處理器處于user模式下時(shí)，執(zhí)行的程序無(wú)法訪問(wèn)一些被保護(hù)的系統(tǒng)資源，以利于操作系統(tǒng)控制系統(tǒng)資源的使用，也不能改變模式，否則就會(huì)導(dǎo)致一次異常。對(duì)于system模式，任何異常都不會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入這一模式，而且它使用的寄存器和user模式下基本相同，主要是用于有訪問(wèn)系統(tǒng)資源請(qǐng)求而又避免使用額外的寄存器的操作系統(tǒng)任務(wù)。在特權(quán)模式下，它們可以完全訪問(wèn)系統(tǒng)資源，可以自由地改變模式。在處理特定的異常時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的異常模式下。這5種異常模式都有各自額外的寄存器，用于避免在發(fā)生異常的時(shí)候與用戶模式下的程序發(fā)生沖突。

&n bsp; 在任意一種處理器模式中，都使用同一個(gè)寄存器來(lái)標(biāo)識(shí)當(dāng)前處理器的工作模式，這個(gè)寄存器叫做cpsr(當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器),它的0~4位用來(lái)表示cpu模式，而且在每一種處理器異常模式下，都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的spsr(緩存程序狀態(tài)寄存器)，用來(lái)保存進(jìn)入異常模式前的cpsr的值。spsr的作用就是當(dāng)cpu從異常模式退出時(shí)，通過(guò)一條簡(jiǎn)單的匯編指令就能夠恢復(fù)進(jìn)入異常模式前的cpsr，該值保存在當(dāng)前異常模式的spsr中。 啟動(dòng)代碼的設(shè)計(jì)

啟動(dòng)代碼類似于電腦中的bios，它從系統(tǒng)上電開(kāi)始接管cpu，依次需要負(fù)責(zé)初始化 cpu在各種模式下的堆?？臻g、設(shè)定cpu的內(nèi)存映射、對(duì)系統(tǒng)的各種控制寄存器做初始化、對(duì)cpu的外部存儲(chǔ)器進(jìn)行初始化、設(shè)定各外圍設(shè)備的基地址、創(chuàng)建正確的中斷向量表、為c代碼執(zhí)行創(chuàng)建zi(零創(chuàng)建)區(qū)，然后進(jìn)入到c代碼。 在c代碼中繼續(xù)對(duì)時(shí)鐘、rs232端口進(jìn)行初始化，然后打開(kāi)系統(tǒng)中斷允許位。最后進(jìn)入到應(yīng)用代碼中執(zhí)行，執(zhí)行期間響應(yīng)各種不同的中斷信號(hào)并調(diào)用預(yù)先設(shè)置好的中斷服務(wù)程序處理這些中斷。整個(gè)過(guò)程的流程圖如圖1所示。
圖1 啟動(dòng)代碼流程圖

堆棧初始化

堆棧的初始化要處理的事情是為處理器的7個(gè)處理器模式分配堆?？臻g。以下以fiq模式下的堆棧設(shè)置為例說(shuō)明：

orrr1, r0, #lockout | fiq_mode；把模式放在r1中，lockout用來(lái)屏蔽中斷位；

msrcpsr, r1 ；改變cpu的cpsr寄存器，進(jìn)入到指定的fiq模式；

msrspsr, r2 ；保存前一模式；

ldrsp, =fiq_stack ；把fiq模式下的堆棧起始值賦給當(dāng)前的sp，fiq_stack是分配給fiq模式堆?？臻g(比如說(shuō)1k字節(jié))的起始地址。按這種方式設(shè)置其它模式下的堆棧。
dram的初始化根據(jù)系統(tǒng)配置信息來(lái)決定，因?yàn)橄到y(tǒng)不一定會(huì)用到dram，但是一定要做sdram的初始化。主要的處理內(nèi)容是rom和ram基址的設(shè)定、數(shù)據(jù)總線的寬度、sdram的刷新時(shí)間等等，這些可以參照s3c4510b芯片的用戶手冊(cè)。特殊寄存器的設(shè)置主要是針對(duì)i/o口，比方說(shuō)設(shè)定幾個(gè)i/o位用做系統(tǒng)狀態(tài)指示燈led。寄存器的設(shè)定主要根據(jù)硬件的配置情況而定，值得注意的是由于這段啟動(dòng)代碼是燒錄到rom中的，而中斷向量必須位于零地址，所以在存儲(chǔ)單元沒(méi)有重新映射之前rom基址的設(shè)定應(yīng)該為零地址。

拷貝(image)主要是為了提高運(yùn)行速度，編譯生成的映像文件代碼從rom內(nèi)拷貝到ram中去，而程序的執(zhí)行也就在ram中。當(dāng)然，啟動(dòng)代碼對(duì)運(yùn)行速度的要求不是很嚴(yán)格，所以這個(gè)拷貝動(dòng)作可以不用做，讓代碼存放在rom中，代碼的執(zhí)行也在rom中，而運(yùn)行中所需要的數(shù)據(jù)在ram中。

內(nèi)存的初始化是為c代碼的運(yùn)行開(kāi)辟內(nèi)存區(qū)，代碼編譯后會(huì)分為三個(gè)區(qū)：只讀區(qū)、可讀可寫區(qū)， 零初始化區(qū)。內(nèi)存的初始化處理的內(nèi)容是：當(dāng)只讀區(qū)截止地址等于可讀可寫區(qū)基址時(shí)，把零初始化區(qū)各字節(jié)清零；當(dāng)只讀區(qū)截止地址不等于可讀可寫區(qū)基址時(shí)，如果可讀可寫區(qū)基址小于零初始化基址，就從只讀區(qū)截止地址處開(kāi)始把數(shù)據(jù)拷貝到可讀可寫區(qū)基址處，直到到達(dá)零初始化基址，然后把零初始化區(qū)各字節(jié)清零，否則也只用把零初始化區(qū)各字節(jié)清零。

中斷向量表是用于處理異常情況的，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，首先要保存當(dāng)前程序的返回地址和cpsr寄存器的值，然后進(jìn)入到相應(yīng)的異常向量地址，一般來(lái)說(shuō)在異常向量地址是一個(gè)跳轉(zhuǎn)指令，使程序進(jìn)入相應(yīng)的異常處理過(guò)程。由于中斷向量表要位于系統(tǒng)的零地址，當(dāng)把啟動(dòng)代碼燒錄到eeprom中運(yùn)行時(shí)就需要把rom的地址定義到零地址，所以程序的入口處如下