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ARM7在嵌入式應用中啟動程序的實現
【摘要】 本文給出了基于ARM7嵌入式系統的啟動程序的實現流程,并針對存儲器控制單元的使用以及目標文件的分布裝載等技術難點進行詳細分析。 【關鍵詞】嵌入式系統、啟動程序、ARM7嵌入式系統被定義為：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式系統的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，隨著嵌入式系統不斷深入到人們生活中的各個領域，嵌入式處理器得到前所未有的飛速發展。
典型的32位RISC芯片──ARM處理器,不論是在PDA,STB,DVD等消費類電子產品中,還是在GPS,航空,勘探,測量等軍方產品中都得到了廣泛的應用。越來越多的芯片廠商早已看好ARM的前景，如Intel，NS，Ateml，Philips，NEC，CirrusLogic等公司都有相應的產品。在1999年，ARM突破1.5億個，市場份額超過了50%，已經成為業界的龍頭。
在我們研制開發基于ARM7的嵌入式系統過程中，發現技術難點主要在于系統啟動程序的編寫，為此本文詳細論述了在ARM7基礎上開發嵌入式系統時啟動程序的實現。
1.啟動程序流程
嵌入式系統的資源有限,程序通常都是固化在ROM中運行。ROM中程序執行前，需要對系統硬件和軟件運行環境進行初始化，這些工作由用匯編語言編寫的啟動程序完成。
啟動程序是嵌入式程序的開頭部分，應與應用程序一起固化在ROM中，并首先在系統上運行。它應包含進各模塊中可能出現的所有段類，并合理安排它們的次序。
寫好啟動程序是設計好嵌入式程序的關鍵,系統啟動程序所執行的操作依賴于正在開發其軟件的系統，一般流程如下:
2．詳細步驟
⑴設置入口指針
啟動程序首先必須定義入口指針，而且整個應用程序只有一個入口指針。
ARM7要求中斷向量表必須設置在從0地址開始，連續8×4字節的空間，分別是復位、未定義指令錯誤、軟件中斷、預取指令錯誤、數據存取錯誤、IRQ、FIQ和一個保留的中斷向量。
如果ROM定位于0地址，向量表包含一系列指令跳轉到中斷服務程序，否則向量必須被動態初始化�？梢栽趩映绦蛑刑砑右欢未a，使其在運行時將向量表拷貝到0地址開始的存儲器空間。
對于各未用中斷，使其指向一個只含返回指令的啞函數，以防止錯誤中斷引起系統的混亂。
系統堆棧初始化取決于用戶使用了哪些中斷，以及系統需要處理哪些錯誤類型。一般來說管理者堆棧必須設置，如果使用了
IRQ中斷，則IRQ堆棧也必須設置。如果系統使用了
DRAM或其它外設，需要設置相關的寄存器，以確定其刷新頻率，數據總線寬度等信息。
有些芯片可通過寄存器編程初始化存儲器系統，而對于較復雜系統通常集成有MMU來管理內存空間。
⑸
如有必要改變處理器模式、狀態
如果系統應用程序是運行在用戶模式下，可在此處將系統改為用戶模式并初始化用戶堆棧指針。
- 初始化C語言所需的存儲器空間。
- 呼叫C程序。
為正確運行應用程序，在初始化期間應將系統需要讀寫的數據和變量從
ROM拷貝到RAM里；一些要求快速響應的程序，如中斷處理程序，也需要在RAM中運行；如果使用FLASH，對FLASH的擦除和寫入操作也一定要在RAM里運行。ARM公司軟件開發工具包中的鏈接器提供了分布裝載功能，可以實現這一目的。
ARM有兩種指令集:16位THUMB指令集和32位ARM指令集。使用16位的存儲器可以降低成本， 在這種情況下，Thumb指令集的整體執行速度比ARM 32位指令集快，而且提高了代碼密度，所以一般用Thumb編譯器將C語言程序編譯成16位的代碼。 處理器一開始總在arm狀態，可使用BX指令轉換到thumb狀態呼叫C程序。要注意的是用Ｃ語言編寫嵌入式程序時，要避免使用不能被固化到ＲＯＭ中的庫函數。
3．技術難點分析
⑴.MMU的使用
MMU是存儲器管理單元的縮寫，是用來管理虛擬內存系統的器件。MMU通常是CPU的一部分，本身有少量存儲空間存放從虛擬地址到物理地址的匹配表。此表稱作TLB(轉換旁置緩沖區)。所有數據請求都送往MMU，由MMU決定數據是在RAM內還是在大容量存儲器設備內。如果數據不在存儲空間內，MMU將產生頁面錯誤中斷。
MMU的兩個主要功能是:
- 將虛地址轉換成物理地址。
- 控制存儲器存取允許。 MMU關掉時，虛地址直接輸出到物理地址總線。
在實踐中，使用MMU解決了如下幾個問題：
①使用DRAM作為大容量存儲器時，如果DRAM的行列是非平方的，會導致該DRAM的物理地址不連續，這將給程序的編寫調試造成極大不便，而適當配置MMU可將其轉換成虛擬地址連續的空間。
②ARM內核的中斷向量表要求放在0地址， 對于ROM在0地址的情況，無法調試中斷服務程序，所以在調試階段有必要將可讀寫的存儲器空間映射到0地址。
③系統的某些地址段是不允許被訪問的，否則會產生不可預料的后果,為了避免這類錯誤,可以通過MMU匹配表的設置將這些地址段設為用戶不可存取類型。
啟動程序中生成的匹配表中包含地址映射，存儲頁大小(1M,64K,或4K)以及是否允許存取等信息。
例如:目標板上的16兆DRAM的物理地址區間為0xc000，0000～0xc07f，ffff;0xc100，0000～0xc17f，ffff;16兆ROM的虛擬地址區間為:0x0000，0000～0x00ff，ffff。匹配表配置如下:
可以看到左邊是連續的虛擬地址空間，右邊是不連續的物理地址空間，而且將DRAM映射到了0地址區間。 MMU通過虛擬地址和頁面表位置信息，按照轉換邏輯獲得對應物理地址，輸出到地址總線上。
應注意到的是使能MMU后，程序繼續運行，但是對于程序員來說程序計數器的指針已經改變，指向了ROM所對應的虛擬地址。
⑵目標文件的分布裝載分析
首先創建一個文本文件，稱為分布裝載描述文件。它為應用程序的各部分指定裝載區間和執行區間。
舉例如下:
FLASH 0x01000000 0x011fffff ；2M FLASH
{
FLASH 0x01000000
{
boot.o(BOOT
，+First)* (+RO)
}
DRAM 0x00000000
{
vector.0(VECTOR
，+First)int_handler.o (+RO)
* (+RW
，+ZI)
}
}
在ARM鏈接器的命令行里加入“-scov description-file –scf”或“-scatter description-file”，編譯鏈接后，將產生一個分布裝載文件。
鏈接器同時產生一組符號，給出每個分布描述文件中命名的區間的長度，裝載地址和執行地址。由于鏈接器和C庫都沒有將代碼從它的裝載區間拷貝到執行區間，或創建一個零初始化區域的功能，所以要由應用程序員利用這組符號產生的信息完成這項工作，這是在呼叫C程序之前必須完成的，舉例如下：
LDR r0, = |Load$$DRAM$$Base|
LDR r1, = |Image$$DRAM$$Base|
CMP r0, r1 ;
檢查裝載地址和執行地址是否相同BEQ do_zi_init ;
相同，則不拷貝該區間，初始化零數據區MOV r2, r1
； 不相同，將裝載區拷貝到執行區LDR r4, = |Image$$DRAM$$length|
ADD r2, r2, r4
BL copy
do_zi_init
LDR r1, = |Image$$DRAM$$ZI$$Base|
MOV r2, r1
LDR r4, = |Image$$DRAM$$ZI$$length|
ADD r2, r2, r4
MOV r3, #0
BL zi_init ;
調用零初始化子程序
4．結束語：
本文介紹的啟動程序已經在以Cirrus Logic公司的EP7211和Ateml公司的AT91M40400開發的系統上運行并測試通過。今后可以在這一基礎上添加串行通信模塊和FLASH操作模塊，開發系統監控程序，從而實現應用程序的在線升級。
參考資料:
《嵌入式微處理器及其應用開發》 計算機世界第四十三期
姜橋 羅蕾
《面向二十一世紀的嵌入式系統綜述》 北京諾浩數字基因研究所
中國單片機公共實驗(BOL)
呂京建 肖海橋
《
EP7211數據手冊》《
ARM7TDMI數據手冊》
作者：
王京林 解放軍信息工程大學基礎部研究生隊 二年級研究生
通訊地址：鄭州1001信箱6-5#
郵編：450002
電子信箱：pingzi19@263.net
岳春生 解放軍信息工程大學基礎部 副教授，研究生導師
張海英 解放軍信息工程大學基礎部研究生隊 二年級研究生
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