使用MMU進(jìn)行地址重映射的啟動(dòng)代碼結構探討

事實(shí)上，對于一個(gè)簡(jiǎn)單的嵌入式應用，編寫(xiě)啟動(dòng)代碼并不困難，但如果要在啟動(dòng)代碼中使用MMU并完成地址重映射，有一些關(guān)鍵的步驟就值得商酌。

本文僅是筆者學(xué)習過(guò)程中的一點(diǎn)心得，紕漏之處在所難免，旨在拋磚引玉，給初學(xué)者一個(gè)思考的方向，更多以及更權威內容請參考文后所列的參考資料。

一、映像文件基本組成

映像文件加載時(shí)域包括RO和RW段，運行時(shí)域則包括RO、RW和ZI三個(gè)段。其中RO和RW段的內容在加載時(shí)和運行時(shí)是一樣的，只是存儲空間可能不同，而ZI段則是運行時(shí)由初始化函數創(chuàng )建的。

RO段：Read-Only段，包括源程序中的CODE段，只讀數據段（包括變量的初始化值——可以是任意變量，全局/局部、靜態(tài)/動(dòng)態(tài)變量的初值；還包括數據常量——這個(gè)常量也可以是全局的或局部的。也就是說(shuō)，編譯器既要為變量分配存儲空間——變量是可讀寫(xiě)的，并不放在RO段，又要為變量的初值分配存儲空間，兩者是兩回事）。

RW段：可讀寫(xiě)段，主要指RW-DATA，也可能有RW-CODE。RW-DATA是指已經(jīng)初始化的全局變量。

ZI段：Zero-Initialized段，主要包括未初始化的全局變量，編譯器用0值對其進(jìn)行初始化。該段中的數據由于是變量，因而也是可讀寫(xiě)的，但在映像文件加載時(shí)，并不為ZI段分配存儲空間，雖然在A(yíng)DS編譯器的Memory map文件中認為T(mén)otal RW Size = (RW Data + ZI Data)。

二、代碼，數據和變量在映像文件中的位置

上面簡(jiǎn)單總結了映像文件各段的組成。從程序的組成看，可以分為變量、數據和代碼，其中變量又分為全局/局部的或靜態(tài)/動(dòng)態(tài)的，它們的存儲空間又是如何分配的呢？

代碼：一般是只讀的，由編譯器分配存儲空間并放到映像文件的RO段。

數據：這里所指的數據都是常量（若可變則為變量），也包括指針常量，那么也屬于只讀的數據，也由編譯器分配存儲空間放到映像文件的RO段。

變量：主要根據生存期來(lái)分，因為生存期是按在內存中的生存時(shí)間來(lái)定義的，而作用域與存儲空間分配無(wú)關(guān)。

1．全局變量和靜態(tài)變量：包括靜態(tài)局部變量和全局/靜態(tài)指針變量在內，由編譯器分配存儲空間，已初始化的放到RW段，否則放到ZI段；

2．動(dòng)態(tài)變量：主要是指局部變量，包括局部指針變量在內，占用?？臻g。

三、啟動(dòng)過(guò)程中的堆棧初始化釋疑

堆與棧：對于A(yíng)RM，堆是向上生長(cháng)的，棧是向下生長(cháng)的。

局部變量占用棧(stack)空間（但其初始化值為數據，占用RO空間）；

程序中動(dòng)態(tài)申請的如malloc()和new函數申請的內存空間占用堆（heap）空間。

————×以下討論不使用semihosting機制×————

因此，在轉入C應用程序前，必須要為C程序準備堆?？臻g。根據具體的目標平臺的存儲器資源，要對堆棧的初始化函數__user_initial_stackheap( )進(jìn)行移植，主要是正確設置堆（heap）和棧（stack）的地址。它可以使用C或ARM匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)，并至少返回堆基址（保存在R0中），?；罚ū４嬖赗1）可選。因而一個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的__user_initial_stackheap( )函數如下：

EXPORT__user_initial_stackheap

__user_initial_stackheap

LDRR0, =0x20000;heap base

LDRR1, =0x40000;stack base, optional

MOVPC, R14

該函數的C語(yǔ)言實(shí)現可見(jiàn)參考資料[6]P158頁(yè)。

注意，如果在工程中沒(méi)有自定義這個(gè)函數，那么缺省情況下，編譯器/鏈接器會(huì )把|Image$$ZI$$Limit|作為堆（heap）的基址（即把heap和stack區放置在ZI區域的上方，這也被認為是標準的實(shí)現[7]）。但是，如果使用scatter文件實(shí)現分散加載機制，鏈接器并不生成符號|Image$$ZI$$Limit|，這時(shí)就必須自己重新實(shí)現__user_initial_stackheap( )函數并且設置好堆基址和棧頂，否則鏈接時(shí)會(huì )報錯。

堆棧區還分為單區模型和雙區模型，在雙區模型中，還必須設置堆棧限制[4,6,7]。

關(guān)于重定義__user_initial_stackheap( )函數時(shí)幾點(diǎn)要注意的地方：一是不要使用超過(guò)96字節的stack，二是不要影響到R12（IP，用作進(jìn)程間調用的暫存寄存器），三是按規則返回參數值（R0：heap base；R1：stack base；R2：heap limit；R3：stack limit），四是讓堆區保持8字節對齊[6]。

在啟動(dòng)代碼中，還要對各個(gè)處理器模式的棧指針進(jìn)行初始化。這個(gè)問(wèn)題很容易與上面談到的__user_initial_stackheap()函數的作用相混淆?？蓮囊韵聨c(diǎn)來(lái)加以說(shuō)明：

（1）在嵌入式應用中，啟動(dòng)代碼分為兩個(gè)部分：一是系統的初始化，包括中斷向量表的建立、時(shí)鐘、存儲系統初始化、關(guān)鍵I/O口初始化、各處理器模式下的棧指針初始化等；二是應用程序初始化（或說(shuō)C庫函數初始化），包括RW段的搬移和ZI段的清零、C應用程序堆棧區的建立（__user_initial_stackheap()函數初始化堆棧指針）等。

從這個(gè)意義上說(shuō)，兩者并沒(méi)有直接關(guān)系。

（2）但兩者并不是沒(méi)有聯(lián)系的。以單區模型的堆棧區為例，由于棧是向下生長(cháng)的，堆是向上生長(cháng)的，系統模式的棧指針（與用戶(hù)模式相同，共用一個(gè)R13寄存器來(lái)描述）實(shí)際上定義了用戶(hù)模式下單區模型堆棧區的上限，而__user_initial_stackheap()函數中指定的heap基址則成為該堆棧區的下限。

因此，如果之前已經(jīng)對系統模式（用戶(hù)模式）的棧指針進(jìn)行了初始化，則在重定義__user_initial_stackheap()函數時(shí)，就不需要重新定義stack base了。

四、啟動(dòng)代碼的內容和初始化順序探討

前面已經(jīng)指出，啟動(dòng)代碼包括系統初始化以及應用程序運行環(huán)境的初始化兩個(gè)部分，完成初始化后，就可以呼叫用戶(hù)主程序了。參考資料[1]、[3]和[5]等都對兩個(gè)部分的內容以及過(guò)程列出了非常清晰但又簡(jiǎn)單明了的步驟，這對于初學(xué)者來(lái)說(shuō)稍微有點(diǎn)抽象。

如果不需要使用MMU進(jìn)行地址重映射，那么，結合網(wǎng)上可以搜集的示例boot代碼以及分析文檔，加上自己動(dòng)手移植和調試，也是比較容易理解的。如果是使用處理器自帶的Remap控制寄存器來(lái)進(jìn)行地址重映射，網(wǎng)上也有相關(guān)的代碼，例如網(wǎng)友twentyone的boot代碼【4510 bootloader的實(shí)現與分析（附源代碼）】就非常清楚，另外，在《ARM學(xué)習報告》系列文章中也對其有詳細的分析。

對于在啟動(dòng)過(guò)程中要使用MMU進(jìn)行地址重映射的系統初始化順序，在《使用AXD調試MMU地址映射程序手記（二）》一文中給出了一個(gè)參考步驟，并做了一定的說(shuō)明。通過(guò)進(jìn)一步參考權威資料，這里，對系統初始化順序作了小的改進(jìn)與修正如下：

①禁止所有中斷→②初始化時(shí)鐘→③初始化存儲器→④初始化各模式下的棧指針→⑤初始化GPIO→⑥拷貝映像文件到SDRAM→⑦建立地址重映射表→⑧使能MMU→⑨應用程序初始化（RW&ZI區）→⑩使能異常中斷→⑾呼叫主程序（dummyOS）。

主要對使能異常中斷和應用程序初始化的順序做了調整，即先進(jìn)行應用程序的初始化，再使能異常中斷，可參考[3]和[10]。

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【參考資料】

[1]《ARM體系結構與編程》，杜春雷，清華大學(xué)出版社，2003年2月

[2]《ARM嵌入式系統開(kāi)發(fā)——軟件設計與優(yōu)化》，沈建華譯，2005年5月

[3]《基于A(yíng)RM的嵌入式系統程序開(kāi)發(fā)要點(diǎn)》，費浙平，2003年8月

[4]《RealView編譯工具開(kāi)發(fā)者指南》，ARM Limited，2003年1月

[5]《ADS Developer Guide》，ARM Limited，2001年11月

[6]《ADS Compilers and Libraries Guide》，ARM Limited，2001年11月

[7]《ADS Linker and Utilities Guide》，ARM Limited，2001年11月

[8]《MAP文件認識初步》，JOHNNY LEE

[9]《堆與棧的區別》，未知網(wǎng)友

[10]《使用ADS1.2進(jìn)行嵌入式軟件開(kāi)發(fā)》，ARM Limited