嵌入式軟件開發(fā)之： 復(fù)位和初始化

13.5 復(fù)位和初始化

任何運(yùn)行在實(shí)際硬件上的嵌入式應(yīng)用程序，都必須在啟動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)一些基本的系統(tǒng)初始化。本節(jié)將對(duì)此予以詳細(xì)討論。

13.5.1 初始化序列

圖13.14顯示了一個(gè)適用于ARM嵌入式系統(tǒng)的初始化序列。

圖13.14 ARM嵌入式系統(tǒng)的初始化序列

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)立即執(zhí)行復(fù)位處理程序，然后進(jìn)入$Sub$$main()的代碼執(zhí)行。

復(fù)位處理程序是用匯編語(yǔ)言編寫的代碼塊，它在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)執(zhí)行，完成系統(tǒng)初始化操作。對(duì)于具有局部存儲(chǔ)器的內(nèi)核，如Caches、緊密藕荷存儲(chǔ)器（TCM）、存儲(chǔ)管理單元（MMU）和存儲(chǔ)器保護(hù)單元（MPU）等，在初始化過(guò)程這一階段完成必要的配置。復(fù)位處理程序在執(zhí)行之后，通常跳轉(zhuǎn)到__main以開始C庫(kù)的初始化序列。

13.5.2 向量表

所有的ARM系統(tǒng)都有一個(gè)向量表（vector table）。向量表不是初始化序列的一部分，但是對(duì)每個(gè)要處理的異常，它必須存在。這些地址通常包含以下形式的跳轉(zhuǎn)指令。

· B<address>：該條指令實(shí)現(xiàn)了相對(duì)于pc的跳轉(zhuǎn)

· LDR pc，[pc，offset]：這條指令將異常處理程序的入口地址從存儲(chǔ)器裝載到pc。該地址是一個(gè)32位的絕對(duì)地址。由于有額外的存儲(chǔ)器訪問(wèn)，裝載跳轉(zhuǎn)地址會(huì)使分支跳轉(zhuǎn)到特定處理程序，給系統(tǒng)執(zhí)行帶來(lái)延時(shí)。不過(guò)，可以使用這種方法跳轉(zhuǎn)到存儲(chǔ)空間內(nèi)的任意地址。

· MOV pc，＃immediate：將一個(gè)立即數(shù)復(fù)制到pc。使用該指令可以跨越整個(gè)地址空間，但是受到地址對(duì)齊問(wèn)題的限制。這個(gè)地址必須由8位立即數(shù)循環(huán)右移偶數(shù)次得到。

另外，也可以在向量表中使用其他類型的指令。例如，F(xiàn)IQ處理程序可以從地址0x1c處開始執(zhí)行。因?yàn)樗挥谙蛄勘淼淖詈?，這樣FIQ處理程序就可以不用跳轉(zhuǎn)，立即從FIQ向量地址處開始執(zhí)行。

下面的例子顯示了一個(gè)使用LDR指令的向量表裝載過(guò)程。

;**********************************

;* VECTOR TABLE *

;**********************************

AREA vectors, CODE

ENTRY

; 定義標(biāo)準(zhǔn)的ARM向量表

INT_Vectors

LDR PC, INT_Reset_Addr

LDR PC, INT_Undef_Addr

LDR PC, INT_Software_Addr

LDR PC, INT_Prefetch_Addr

LDR PC, INT_Data_Addr

LDR PC, INT_Reserved_Addr

LDR PC, INT_IRQ_Addr

LDR PC, INT_FIQ_Addr

在向量表的入口處要有ENTRY標(biāo)識(shí)。該標(biāo)識(shí)通知鏈接程序該代碼是一個(gè)可能的入口點(diǎn)，因而在鏈接時(shí)，不能被清除。

13.5.3 ROM/RAM重映射

啟動(dòng)時(shí)，0x0處必須要有一條有效指令，因此，復(fù)位時(shí)0x0000地址必須為非易失性存儲(chǔ)器，如ROM或FLASH。

注意

有些系統(tǒng)是從0xffff0000處開始執(zhí)行的，對(duì)于這樣的系統(tǒng)，地址0xffff0000處必須為非易失性存儲(chǔ)器。

可以將ROM定位在0x0處。但是，這樣配置有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先ROM存取速度通常較RAM要慢，當(dāng)跳轉(zhuǎn)到異常處理程序時(shí)，系統(tǒng)性能可能會(huì)大受影響。其次，將向量表放于ROM中，運(yùn)行時(shí)不能修改。

存儲(chǔ)器地址重映射（Memory Remap）是當(dāng)前很多先進(jìn)控制器所具有的功能。所謂地址重映射就是可以通過(guò)軟件配置來(lái)改變存儲(chǔ)器物理地址的一種機(jī)制或方法。

當(dāng)一段程序?qū)\(yùn)行自己得存儲(chǔ)器進(jìn)行重映射時(shí)，需要特別注意保證程序執(zhí)行流程在重映射前后的承接關(guān)系。實(shí)現(xiàn)重映射的關(guān)鍵就是要使程序指針在remap以后能繼續(xù)往下得到正確的指令。本書中介紹兩種實(shí)現(xiàn)重映射的機(jī)制，不同的系統(tǒng)可能會(huì)有多種靈活的remap方案，用戶在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)要具體分析。

1．先搬移后映射（Remap after Copy）

圖13.15顯示一種典型的存儲(chǔ)器地址重映射情況。

圖13.15 ROM/RAM重映射（1）

原來(lái)RAM和ROM各有自己的地址，進(jìn)行重映射以后RAM和ROM的地址都發(fā)生了變化。這種情況下，可以采用以下方案。

① 上電后，從0x0地址的ROM開始往下執(zhí)行。

② 根據(jù)映射前的地址，對(duì)RAM進(jìn)行必要的代碼和數(shù)據(jù)拷貝。

③ 拷貝完后，進(jìn)行remap操作。

④ 因?yàn)镽AM在remap前準(zhǔn)備好了內(nèi)容，使得PC指針能繼續(xù)在RAM里取到正確的指令。

2．先映射后搬移（Copy after Remap）

系統(tǒng)上電后的缺省狀態(tài)是0x0地址上放有ROM。這塊ROM有兩個(gè)地址：從0起始和從0x10000起始，里面存儲(chǔ)了初始化代碼。當(dāng)進(jìn)行地址remap以后，從0x0起始的地址被定向到RAM上，ROM則只保留有惟一的從0x10000起始的地址。

如果存儲(chǔ)在ROM里的復(fù)位異常處理程序（Reset-Handler）一直在0x0～0x4000的地址上運(yùn)行，則當(dāng)執(zhí)行完remap以后，下面的指令將從RAM里預(yù)取，這必然會(huì)導(dǎo)致程序執(zhí)行流程的中斷。根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，可以用下面的辦法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

① 上電后系統(tǒng)從0x0地址開始自動(dòng)執(zhí)行，設(shè)計(jì)跳轉(zhuǎn)指令在remap發(fā)生前使PC指針指向0x10000開始的ROM地址中去，因?yàn)椴煌刂分赶虻氖峭粔KROM，所有程序能夠順利執(zhí)行。

② 這時(shí)候0x0～0x4000的地址空間空閑，不被程序引用，執(zhí)行remap后把RAM引進(jìn)。因?yàn)槌绦蛞恢痹?x10000起始的ROM空間里運(yùn)行，remap對(duì)運(yùn)行流程沒(méi)有任何影響。

③ 通過(guò)在ROM里運(yùn)行的程序，對(duì)RAM進(jìn)行相應(yīng)的代碼和數(shù)據(jù)拷貝，完成應(yīng)用程序運(yùn)行的初始化。

圖13.16顯示了ROM和RAM重映射的第二種解決方案。

圖13.16 ROM/RAM重映射（2）

該ROM與RAM地址重映射的方法可以應(yīng)用于任何具有ROM/RAM重映射機(jī)制的平臺(tái)，但是內(nèi)存重映射的地址根據(jù)具體平臺(tái)的不同而不同。

圖13.16顯示的地址重映射例子中，第一條指令實(shí)現(xiàn)從ROM臨時(shí)地址（0x0地址）到實(shí)際ROM的跳轉(zhuǎn)。然后，控制寄存器的重映射位，清除ROM的臨時(shí)地址設(shè)置。該代碼通常在系統(tǒng)復(fù)位后立即執(zhí)行。重新映射必須在執(zhí)行C庫(kù)初始化代碼前完成。

在具有MMU的系統(tǒng)中，可通過(guò)在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)配置MMU來(lái)實(shí)現(xiàn)重映射。

下面的例子顯示了在ARM的Integrator開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)的ROM/RAM重映射過(guò)程。

; --- Integrator CM control reg

CM_ctl_reg EQU 0x1000000C ;定義CM控制寄存器地址

Remap_bit EQU 0x04 ;CM控制寄存器重映射掩碼

ENTRY

;復(fù)位異常處理程序開始

; 執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)到實(shí)際的ROM執(zhí)行

LDR pc, =Instruct_2

Instruct_2

; 設(shè)置CM控制寄存器的重映射位

LDR r1, =CM_ctl_reg

LDR r0, [r1]

ORR r0, r0, #Remap_bit

STR r0, [r1]

; 重映射后，RAM在0x0地址

; 將向量表從ROM拷貝到 RAM (由 __main函數(shù)完成)

13.5.3 局部存儲(chǔ)器設(shè)置有關(guān)的考慮事項(xiàng)

許多ARM處理器內(nèi)核具有片上存儲(chǔ)器系統(tǒng)，如MMU或MPU。這些設(shè)備通常是在系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行設(shè)置并啟用的。因此，帶有局部存儲(chǔ)器系統(tǒng)的內(nèi)核的初始化序列需要特別地考慮。

在前面所述的代碼啟動(dòng)的過(guò)程中，__main中C庫(kù)初始化代碼負(fù)責(zé)建立代碼執(zhí)行時(shí)的內(nèi)存映像，在跳轉(zhuǎn)到__main前，必須建立處理器內(nèi)核的運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)器視圖。這就是說(shuō)，在復(fù)位處理程序中必須設(shè)置并啟用MMU或MPU。

另外，在跳轉(zhuǎn)到__main前（通常在MMU/MPU設(shè)置前），必須啟用緊耦合存儲(chǔ)器TCM（Tightly coupled Memory），因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下都是采用分散加載方法將代碼和數(shù)據(jù)裝入TCM。當(dāng)TCM啟用后，用戶不必存取由TCM屏蔽的存儲(chǔ)器。

在跳轉(zhuǎn)到__main前，如果啟用了Cache，可能還會(huì)遇到Cache一致性的問(wèn)題，__main中的函數(shù)將程序代碼從其加載域拷貝到執(zhí)行域，在此過(guò)程中將指令作為數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這樣，一些指令可能被放入數(shù)據(jù)Cache中，在執(zhí)行這些指令時(shí)，由于找不到地址路徑而產(chǎn)生錯(cuò)誤。為了避免Cache一致性的問(wèn)題，在C庫(kù)初始化序列執(zhí)行完成后再啟用Cache。

13.5.4 棧指針初始化

在程序的初始化代碼中，用戶必須要為處理器用到的各種模式設(shè)置堆棧，也就是說(shuō)，復(fù)位處理程序必須為應(yīng)用程序所使用的任何執(zhí)行模式的棧指針?lè)峙涑跏贾怠?/p>

下面的例子顯示了如何在初始化代碼中啟用不同模式下的堆棧。

; 啟用系統(tǒng)模式堆棧

LDR r2,INT_System_Stack ;將系統(tǒng)堆棧的全局變量放到r2中

STR sp,[r2] ;將系統(tǒng)堆棧指針存儲(chǔ)到系統(tǒng)模式下的sp

; 啟用系統(tǒng)堆棧限制 (為ARM編譯器的堆棧檢測(cè)做準(zhǔn)備)

SUB r1,sp,#SYSTEM_STACK_SIZE ;跳轉(zhuǎn)堆棧指針

BIC r1,r1,#0x03 ;4字節(jié)對(duì)齊

MOV r10,r1 ;將堆棧的限制放入r10寄存器（AAPCS規(guī)則）

LDR r2,INT_System_Limit ;得到堆棧限制全局變量地址

STR r1,[r2] ;將堆棧限制存入全局變量

; 切換到IRQ模式

MRS r0,CPSR ;得到當(dāng)前的CPSR值

BIC r0,r0,#MODE_MASK ;清除模式位

ORR r1,r0,#IRQ_MODE ;設(shè)為IRQ模式

MSR CPSR_cxsf,r1 ;切換到IRQ模式

;啟用IRQ模式堆棧

LDR sp,=INT_Irq_SP ;將IRQ模式堆棧指針?lè)湃雜p_irq

; 切換到FIQ

ORR r1,r0,#FIQ_MODE ;設(shè)置FIQ模式位

MSR CPSR_cxsf,r1 ;切換到FIQ模式

; Set-up FIQ stack

LDR sp,=INT_Fiq_SP ;得到FIQ模式指針

; 切換到Abort模式

ORR r1,r0,#ABT_MODE ;設(shè)置Abort模式位

MSR CPSR_cxsf,r1 ;切換到ABT模式

; 啟用Abort堆棧

LDR sp,=INT_Abort_SP

; 切換到未定義異常模式

ORR r1,r0,#UNDEF_MODE

MSR CPSR_cxsf,r1

;啟用未定義指令模式堆棧

LDR sp,=INT_Undefined_SP

; 啟用系統(tǒng)/用戶堆棧

……

……

為了設(shè)置棧指針，進(jìn)入每種模式（中斷禁用）并為棧指針?lè)峙溥m合的值。要利用軟件棧檢查，也必須在此設(shè)置棧限制。

復(fù)位處理程序中設(shè)置的棧指針和棧限制值由C庫(kù)初始化代碼作為參數(shù)自動(dòng)傳遞給__user_initial_stackheap()。因此，不允許__user_initial_stackheap()更改這些值。

下面的例子顯示了如何實(shí)現(xiàn)__user_initial_stackheap()，該段代碼可以和上面的堆棧指針設(shè)置程序配合使用。

IMPORT heap_base

EXPORT __user_initial_stackheap()

__user_initial_stackheap()

; 程序中指定?；刂坊蛟诿枋鑫募兄付ㄔ摰刂?/p>

LDR r0,=heap_base

; r1 contains SB value

MOV pc,lr

13.5.5 硬件初始化

一般情況下，系統(tǒng)初始化代碼和主應(yīng)用程序是分開的。系統(tǒng)初始化要在主應(yīng)用程序啟動(dòng)前完成。但部分與硬件相關(guān)的系統(tǒng)初始化過(guò)程，如啟用Cache和中斷，必須在C庫(kù)初始化代碼執(zhí)行完成后才能執(zhí)行。

為了在進(jìn)入主應(yīng)用程序之前，完成系統(tǒng)初始化，可以使用$sub和$super函數(shù)標(biāo)識(shí)符在進(jìn)入主程序之前插入一個(gè)例程。這一機(jī)制可以在不改變?cè)创a的情況下擴(kuò)展函數(shù)的功能。

下面的例子說(shuō)明了如何使用$sub和$super函數(shù)標(biāo)識(shí)。鏈接程序通過(guò)調(diào)用$sub$$main()函數(shù)取代對(duì)main()的調(diào)用。所以用戶可以在自己編寫的$sub$$main()例程中啟用Cache或使能中斷。

extern void $Super$$main(void);

void $Sub$$main(void)

{

cache_enable(); // 使能caches

int_enable(); // 使能中斷

$Super$$main(); // 調(diào)用原來(lái)的main()函數(shù)

}

在$Sub$$main(void)函數(shù)中，鏈接程序通過(guò)調(diào)用$Super$$main()，使代碼跳轉(zhuǎn)到實(shí)際的main()函數(shù)。

在完成硬件初始化之后，必須考慮主應(yīng)用程序運(yùn)行在何種模式。如果應(yīng)用程序運(yùn)行在特權(quán)模式（Privileged mode），只需在退出復(fù)位處理程序前切換到適當(dāng)?shù)哪Ｊ剑蝗绻麘?yīng)用程序運(yùn)行在用戶模式下，要在完成系統(tǒng)初始化之后，再切換到用戶模式。模式的切換工作，一般在$Sub$$main(void)函數(shù)中完成。