ARM7啟動(dòng)代碼的分析與設計

引言

隨著(zhù)生活水平的提高和IT技術(shù)的進(jìn)步，8位處理器的處理能力已經(jīng)不能滿(mǎn)足嵌入式系統的需要了;而16位處理器在性能和成本上都沒(méi)有很大的突破。并且在8位機的開(kāi)發(fā)中，大多使用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)用戶(hù)程序。這使得程序的可維護性、易移植性等都受到了極大的挑戰。正是基于此，ARM公司適時(shí)的推出了一系列的32位嵌入式微控制器。目前廣泛使用的是ARM7和ARM9系列，ARM7TDMI內核的ARM7處理器廣泛應用于工業(yè)控制、儀器儀表、汽車(chē)電子、通訊、消費電子等嵌入式設備。本文主要以philips公司ARM7TDMI核的LPC2119為例來(lái)分析如何編寫(xiě)ARM7的啟動(dòng)代碼。

1、啟動(dòng)代碼

在嵌入式系統軟件的開(kāi)發(fā)中，應用程序通常是在嵌入式操作系統的開(kāi)發(fā)平臺上采用C語(yǔ)言編寫(xiě)的。然而，在A(yíng)RM系統上電復位后，需要設置中斷向量表、初始化各模式堆棧、設置系統時(shí)鐘頻率等，而這些過(guò)程都是針對ARM內部寄存器結構的操作，用C語(yǔ)言編程是很難實(shí)現的。因此在轉到應用程序的c/c++編寫(xiě)之前，需要用ARM的匯編語(yǔ)言編寫(xiě)啟動(dòng)代碼,由啟動(dòng)代碼完成系統初始化以及跳轉到用戶(hù)C程序。在A(yíng)RM設計開(kāi)發(fā)中，啟動(dòng)代碼的編寫(xiě)是一個(gè)極重要的過(guò)程。然而啟動(dòng)代碼隨具體的目標系統和開(kāi)發(fā)系統有所區別，但通常包含以下部分：

·向量表定義

·地址重映射及中斷向量表的轉移

·堆棧初始化

·設置系統時(shí)鐘頻率

·中斷寄存器的初始化

·進(jìn)入C應用程序

下面就結合PHILIPS的LPC2119的啟動(dòng)代碼來(lái)分析與說(shuō)明ARM7處理器的啟動(dòng)代碼的編寫(xiě)。

1.1向量表定義

ARM芯片上電或復位后，系統進(jìn)入管理模式、ARM狀態(tài)、PC(R15)指向0x00000000地址處。中斷向量表為每一個(gè)中斷設置1個(gè)字的存儲空間，存放一條跳轉指令，通過(guò)這條指令使PC指針指向相應的中斷服務(wù)程序入口，繼而執行相應的中斷處理程序。LPC2219的中斷向量表和其它基于A(yíng)RM核的芯片中斷向量表較類(lèi)似，只要注意LPC2219要使向量表所有數據32位累加和為零(0x00000000-0x0000001C的8個(gè)字的機器碼累加), 才能使用戶(hù)的程序脫機運行。

1.2 地址重映射及中斷向量表的轉移

ARM7處理器在復位后從地址0讀取第一條指令并執行，因此系統上電后地址0必須是非易失的ROM/FLASH，這樣才能保證處理器有正確可用的指令。為了加快對中斷的處理以及實(shí)現在不同操作系統模式下對中斷的處理，這就需要重新映射中斷向量表、Bootblock和SRAM空間的一小部分。ARM具有非常靈活的存儲器地址分配特性。ARM處理器的地址重映射機制有兩種情況：

①由專(zhuān)門(mén)的寄存器完成重映射(Remap),只需對相應的Remap寄存器相應位設置即可。

②沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的Remap控制寄存器需要重新改寫(xiě)用于控制存儲器起始地址的塊(Bank)寄存器來(lái)實(shí)現Remap。在LPC2119上的重映射，可以通過(guò)存儲器映射控制器來(lái)實(shí)現。實(shí)現REMAP操作的程序實(shí)現如下：

MOV R8,#0x40000000; /設置新向量表起始地址/

LDR R9,=Interrupt_Vector_Table; /讀原向量表源地址/

LDMIA R9!,(R0-R7); /復制中斷向量表及中斷處理程序的入口地址到RAM中(64字節)/

STMIA R8!,(R0-R7)

LDMIA R9!,(R0-R7)

STMIA R8!,(R0-R7)

LDR R8，=MEMMAP ; /REMMAP操作/

MOV R9，#0x02

STR R9, [R8]

1.3 堆棧初始化

啟動(dòng)代碼中各模式堆?？臻g的設置是為中斷處理和程序跳轉時(shí)服務(wù)的。當系統響應中斷或程序跳轉時(shí)，需要將當前處理器的狀態(tài)和部分重要參數保存在一段存儲空間中，所以對每個(gè)模式都要進(jìn)行堆棧初始化工作，給每個(gè)模式的SP定義一個(gè)堆?；刂泛投褩５娜萘?。堆棧的初始化有兩種方法：第一種方法是結合ADS開(kāi)發(fā)套件中的分散加載文件來(lái)定義堆棧。第二種方法是最簡(jiǎn)單也是最常用的一種就是直接進(jìn)入對應的處理器模式，為SP寄存器指定相應的值。下面給出了用第二種方法初始化管理模式和中斷模式堆棧的程序：

MSR CPSR_c, #0xD3 ; /切換到管理模式，并初始化管理模式的堆棧/

LDR SP, Stack_Svc

MSR CPSR_c, #0xD2 ; /切換到IRQ模式，并初始化IRQ模式的堆棧/

LDR SP, Stack_Irq

…

1.4 系統部分時(shí)鐘初始化

時(shí)鐘是芯片各部分正常工作的基礎，應該在進(jìn)入main()函數前設置。部分ARM7片子內部集成有PLL(鎖相環(huán))電路，用戶(hù)可以用低頻率的晶振通過(guò)PLL電路獲得一個(gè)較高頻率的時(shí)鐘。LPC2119內部的PLL電路接受的輸入時(shí)鐘頻率范圍為10～25MHz，輸入頻率通過(guò)一個(gè)電流控制振蕩器(CCO)倍增到范圍10～60MHz。同時(shí)為了使高速的ARM處理器與低速的外設正常通訊和降低功耗(降低外設運行速度使功耗降低)，LPC2119又集成了一個(gè)額外的分頻器。PLL的激活是由PLLCON寄存器控制。PLL倍頻器和分頻器的值由PLLCFG寄存器控制。對PLLCON或PLLCFG寄存器的更改必須遵循嚴格的順序，否則所作更改是無(wú)法生效的(在連續的VPB周期內向PLLFEED寄存器寫(xiě)入0xAA、0x55，在此期間中斷必須是被禁止的。)

1.5 中斷初始化

ARM7的向量中斷控制器(Vectored Interrupt Controller)可以將中斷編程為3類(lèi)：FIQ、向量IRQ、非向量IRQ。FIQ中斷請求的優(yōu)先級最高，其次是IRQ中斷請求，非向量IRQ的優(yōu)先級最低。VIC具有32個(gè)中斷請求輸入，但在LPC2219中只占用了17個(gè)中斷輸入。對于這17個(gè)中斷源的IRQ/FIQ選擇，由VICIntSelect寄存器控制，當對應位設置位1時(shí)，則此中斷為FIQ中斷，否則為IRQ中斷。若再將IRQ中斷設置到向量控制寄存器(VICVectCntIn)中，則此中斷為向量IRQ中斷，否則為非向量IRQ中斷。FIQ中斷是專(zhuān)門(mén)用來(lái)處理那些需要及時(shí)響應的特殊事件，盡可能地只給FIQ分配一個(gè)中斷源。

1.6 進(jìn)入C應用程序

至此，系統各部分的初始化基本完成，可以直接從啟動(dòng)代碼轉入到應用程序的main()函數入口。從啟動(dòng)代碼轉入到應用程序的實(shí)例代碼如下：

IMPORT main

LDR R0，=main

BX R0

2、總結

一個(gè)優(yōu)秀的啟動(dòng)代碼將給應用程序的開(kāi)發(fā)提供一個(gè)良好的開(kāi)發(fā)平臺。本文中較詳細的討論了啟動(dòng)代碼的編寫(xiě)及難點(diǎn)。其中在堆棧初始化過(guò)程中要特別的注意兩點(diǎn)：

①要盡量給堆棧分配快速和高帶寬的存儲器。

②盡量避免過(guò)早將處理器切換到用戶(hù)模式，一般在系統初始化的最后階段才切換到用戶(hù)模式(用戶(hù)模式?jīng)]有權限通過(guò)修改CPSR來(lái)進(jìn)行模式切換)。

嵌入式系統的迅猛發(fā)展，使啟動(dòng)代碼的編寫(xiě)成為嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員應該具備的能力。本文有助于正在從事嵌入式ARM開(kāi)發(fā)的讀者理解啟動(dòng)代碼的內涵與編寫(xiě)出適合自己的啟動(dòng)代碼。