基于A(yíng)RM體系的嵌入式系統BSP的程序設計方案
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BSP（Board Support Package）板級支持包介于主板硬件和操作系統之間，其功能與PC機上的BIOS相類(lèi)似，主要完成硬件初始化并切換到相應的操作系統。BSP是相對于操作系統而言的，不同的操作系統對應于不同定義形式的BSP，例如VxWorks的BSP和Linux的BSP相對于某一CPU來(lái)說(shuō)，盡管實(shí)現的功能一樣，可是寫(xiě)法和接口定義是完全不同的。另外，仔細研究所用的芯片資料也十分重要，例如盡管ARM在內核上兼容，但每家芯片都有自己的特色。所以這就要求BSP程序員對硬件、軟件和操作系統都要有一定的了解。
本文介紹基于ARM體系的嵌入式應用系統初始化部分BSP的程序設計。本文引用的源碼全部是基于HMS320C7202芯片設計，并已成功運行。
1 初始化過(guò)程
盡管各種嵌入式應用系統的結構及功能差別很大，但其系統初始化部分完成的操作有很大一部分是相似的。嵌入式系統的啟動(dòng)流程如圖1所示。
1.1 設置入口指針
啟動(dòng)程序首先必須定義指針，而且整個(gè)應用程序只有一個(gè)入口指針。一般地，程序在編譯鏈接時(shí)將異常中斷向量表鏈接在0地址處，并且作為整個(gè)程序入口點(diǎn)。入口點(diǎn)代碼如下：
ENTRY（_start） ；開(kāi)始
1.2 設置異常中斷向量表
ARM要求中斷向量表必須放置在從0開(kāi)始、連續8×4字節的空間內。各異常中斷向量地址以及中斷的算是優(yōu)先級如表1：
表1 各異常中斷的中斷向量地址以及中斷的處理優(yōu)先級
中斷向量地址 異常中斷類(lèi)型 異常中斷模式 優(yōu)先級（6最低）
0x0 復位 特權模式（SVC） 1
0x4 未定義中斷 未定義指令中止模式（Undef) 6
0x8 軟件中斷（SWI） 特權模式（SVC） 6
0x0c 指令預取中止 中止模式 5
0x10 數據訪(fǎng)問(wèn)中止 中止模式 2
0x14 保留 未使用 未使用
0x18 外部中斷請求（IRQ） 外部中斷（IRQ）模式 4
0x1c 快速中斷請求（FIQ） 快速中斷（FIQ）模式 3
每當一個(gè)中斷發(fā)生后，ARM處理器便強制把程序計數器（PC）指針置為向量表中對應中斷類(lèi)型的地址值。因為每個(gè)中斷向量?jì)H占據放置1條ARM指令的空間，所以通常放置1條跳轉指令或向程序計數器（PC）寄存器賦值的數據訪(fǎng)問(wèn)指令，使程序跳轉到相應的異常中斷處理程序執行。如果異常中斷處理程序起始地址小于32MB，使用B跳轉指令；如果跳轉范圍大于32MB，使用LDR指令。
另外，對于各未用中斷，可使其指向一個(gè)只含返回指令的啞函數，以防止錯誤中斷引起系統的混亂。
1.3 初始化存儲系統
初始化存儲系統的編程對象是系統的存儲器控制器，一個(gè)系統可能存在多種存儲器類(lèi)型的接口，不同的存儲系統的設計不盡相同。Flash和SRAM同屬于靜態(tài)存儲器類(lèi)型，可以合用一個(gè)存儲器端口；而DRAM因為有動(dòng)態(tài)刷新和地址線(xiàn)復用等特性，通常配有專(zhuān)用的存儲器端口。其中，SDRAM必須在初始化階段進(jìn)行設置，因為大部分的程序代碼和數據都要在SDRAM中運行。
在HMS30C7202中，與SDRAM配置有關(guān)的寄存器有4個(gè)：配置寄存器、刷新定時(shí)寄存器、寫(xiě)緩沖寫(xiě)回寄存器和等待驅動(dòng)寄存器，需要根據實(shí)際的系統設計對此分別加以正確配置。
SDRAM的初始化過(guò)程如下：加電→延遲10ms（各具體SDRAM器件延時(shí)時(shí)間可能不同）→設置配置寄存器參數→延時(shí)→寫(xiě)刷新定時(shí)寄存器，設置刷新周期→延時(shí)→使能自動(dòng)刷新→延時(shí)→設置模式寄存器（位于SDRAM內部）。
1.4 存儲器地址分布重映射（remap）和MMU
系統一上電，程序將自動(dòng)從0地址處開(kāi)始執行。因此，必須保證在0地址處存在正確的代碼，即要求0地址開(kāi)始入是非易失性的ROM或Flash等。但是因為ROM或Flash的訪(fǎng)問(wèn)速度相對較慢，每次中斷響應發(fā)生后，都要從讀取ROM或Flash上面的向量表開(kāi)始，影響了中斷響應速度。一般程序執行后將SDRAM映射為地址0，并把系統程序加載到SDRAM中運行，其具體步驟可以采用以下的方案：
（1）上電后，從0地址的ROM開(kāi)始往下執行；
（2）根據映射前的地址，對SDRAM進(jìn)行必要的代碼和數據拷貝；
（3）拷貝完成后，進(jìn)行重映射操作；
（4）因為RAM在重映射前準備好了內容，使得PC指針能繼續在RAM里取得正確的指令。
在這種地址映射的變化過(guò)程中，程序員需要仔細考慮的是：程序的執行流程不能被這種變化所打斷，注意保證程序流程在重映射前后的承接關(guān)系。
存儲器的地址分配是很靈活的，可以將I/O操作映射成內存操作，也可以通過(guò)映射對某些不可訪(fǎng)問(wèn)的地址空間進(jìn)行保護等。進(jìn)行存儲器初始化設計時(shí)，一定要根據應用程序的具體要求來(lái)完成地址分配。對地址管理通過(guò)MMU即存儲器管理單元實(shí)現。
在A(yíng)RM系統中，MMU通過(guò)頁(yè)式虛擬存儲管理，將虛擬空間和物理空間分別分成一個(gè)個(gè)固定大小的頁(yè)，并建立兩者之間的映射關(guān)系，從而實(shí)現虛擬地址到物理地址的轉換。MMU還可完成存儲器訪(fǎng)問(wèn)權限的控制和虛擬存儲器空間緩沖特性的設置。
以下是實(shí)現MMU的部分代碼：
for=(i=1;i0x1000;i++){
pagetable[i]=(i20)|MMU_SECDESC;
} //建立頁(yè)表，每頁(yè)大小為1MB，頁(yè)表偏移序號是物理地址的高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）空間的設置為不可CACHE和不可BUFFER的
for(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;
//將這段空間的地址映射關(guān)系設置為VA（虛擬地址）=PA（物理地址）+0x1000000
pagetable[0]=(0x42f00000)|MMU_SECDESC|MMU_CACHEABLE|MMU_BUFFERABLE;
//將SDRAM的虛擬地址0x42f00000映射到0處
1．5 初始化各模式下的堆棧指針
因為ARM處理器有7種執行狀態(tài)，每一種狀態(tài)的堆棧指針寄存器（SP）都是獨立的（System和User三項式使用相同SP寄存器）。因此，對程序中需要用到的每一種模式都要給SP寄存器定義一個(gè)堆棧地址。方法是改變狀態(tài)寄存器（CPSR）內的狀態(tài)位，使處理器切換到不同的狀態(tài)，然后給SP賦值。這里列出的代碼定義了三種模式的SP指針，其中，I_Bit表示IRQ的中斷禁止位；F_Bit表示FIQ的中斷禁止位：
@；Set up SVC stack to be 4K on top of zero-init data
LDR r1,=installStack
ADDsp,r1,#2048
@;Set up IRQ and FIQ stacks
MOV r0,#(Mode_IRQ32|I_Bit)
MSRcpsr,r0
MOV r0,r0
ADDsp,r1,#2048*2
MOV r0,#(Mode_FIQ32|I_Bit |F_Bit)
MSR cpsr,r0
MOV r0,r0
ADDsp,r1,#2048*3
一般堆棧的大小要根據需要而定，但是要盡可能給堆棧分配快速和高帶寬的存儲器。堆棧性能的提高對系統性能的影響是非常明顯的。
1．6 初始化有特殊要求的端口、設備
有些關(guān)鍵的I/O部件必須在使能IRQ和FIQ之前進(jìn)行初始化。因為如果在使能IRQ和FIQ之前沒(méi)有進(jìn)行初始化，可以產(chǎn)生假的異常中斷信號。程序中初始化了HMS30C7202的串口1用來(lái)調試程序與其它設備通信。串口1是一個(gè)通用全雙工異步接收/發(fā)送器（UART），它支持16C550的大部分功能。UART有接收緩沖/發(fā)送保持寄存器、波特率除數鎖存器、中斷允許寄存器等9個(gè)寄存器。對串口1的初始化主要是對各寄存器的設置，其實(shí)現代碼如下所示：
_outb(ser_base+0x30,1);
_outw(0x8002301c,0xffff9f9f) ;GPIO PORT A Enable
Register
_outw(0x800230A4,0x6060) ;GPIO PORT A MultiFunction elect-Register
serial_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(kāi)中斷
最后轉換到應用程序運行所需的最終模式，一般是User模式。不要過(guò)早切換到User模式進(jìn)行User模式的堆棧設備。因為進(jìn)入User模式后就不能再操作CPRS回到別的模式了，可能會(huì )對接下去的程序執行造成影響。
這時(shí)才使能異常中斷，通過(guò)清除CPRS寄存器中的中斷禁止位實(shí)現。如果過(guò)早地開(kāi)中斷，在系統初始化之前就觸發(fā)了有效中斷，會(huì )導致系統的死機。
1．8 呼叫主應用程序
當所有的系統初始化工作完成后，就需要把程序流程轉入主應用程序。
圖2
2 技術(shù)難點(diǎn)分析
2．1 多種語(yǔ)言的混合編程
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位的寄存器可以降低成本，而且16位THUMB指令集整體執行速度比ARM 32位指令集快，提高了代碼密度。為了滿(mǎn)足ARM子程序和Thumb子程序互相調用，必須保證編寫(xiě)的代碼遵循ATPCS。ATPCS規定了子程序調用的基本規則。
ARM系統結構也支持C、C++以及匯編語(yǔ)言的混合編程。匯編語(yǔ)言和C/C++語(yǔ)言的混合編程，在一個(gè)追求效率的程序中比較常見(jiàn)。許多人認為像BSP這樣底層的程序應該用純匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，其實(shí)不然。用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序可讀性不高，而且不宜維護，不便于向其它類(lèi)型的CPU移植，而這些方面卻是C語(yǔ)言程序的優(yōu)勢。BSP能否用純C語(yǔ)言去寫(xiě)呢？也不行。因為某些操作是用C實(shí)現不了的。例如操作特殊寄存器的指令、CP15寄存器的指令、中斷使能及堆棧地址的設定等。在匯編和C/C++之間的函數調用時(shí)，也要遵循ATPCS的定義，還要注意的是用C語(yǔ)言編寫(xiě)嵌入式程序時(shí)，要避免使用不能被固化到ROM中的庫函數。
混合編程情況下的程序編譯及鏈接后的輸出代碼與沒(méi)有混合編程時(shí)是不同的。所以當多個(gè)源文件如果使用了不同的設置進(jìn)行編譯，相互之間的調用可能產(chǎn)生兼容性問(wèn)題，對此一定要加以仔細考慮。編譯時(shí)，要告訴編譯器和鏈接器足夠的信息，一方面，讓編譯器能夠使用正確的指令碼進(jìn)行編譯；另一方面，在不同的狀態(tài)之間發(fā)生函數調用時(shí)，鏈接器將插入一段鏈接代碼（veneers）來(lái)實(shí)現狀態(tài)轉換。
2．2 MMU的實(shí)現過(guò)程
頁(yè)表是實(shí)現MMU的重要手段。頁(yè)表存放在內存中，從虛擬地址到物理地址的變換過(guò)程其實(shí)就是查詢(xún)頁(yè)表的過(guò)程。大小為1MB的存儲塊通常被稱(chēng)為段，圖2說(shuō)明了如何查表進(jìn)行段式尋址的全過(guò)程：32位的虛擬地址可分為12位的一級頁(yè)表序號和20位的段內地址偏移。12位的一級頁(yè)表序號和CP15寄存器的C2中的18位變換表基址合并成一級描述符地址查表找出相應的一級描述符；然后，段對應的物理基地址與段內地址偏移量合并成為真正的存儲器存取地址即物理地址，讀出相應數據。
本文介紹的BSP程序已經(jīng)在以HMS30C7202為主芯片的開(kāi)發(fā)系統上運行并測試通過(guò)，并且成功地引導了Linux內核，文中引用代碼可以直接使用。今后可以在此基礎上添加命令行解釋程序，在引導操作系統前進(jìn)行存存儲器的讀寫(xiě)等，擴展開(kāi)發(fā)系統的功能。
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