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      ARM的啟動分析

      作者:佚名    文章來源:本站原創    點擊數:    更新時間:2013-7-9
      • STARTUP 
        1 ARM的啟動 
        一般的嵌入式系統在主程序執行之前都需要執行一些初始化的過程以創造嵌入式程序運行的環境,尤其是一些高級的嵌入式系統,由于核心芯片使用內存映射、內存保護等機制以及編程使用高級語言C,C++甚至JAVA語言,都需要先創建一個適合程序運行的硬件環境,然后初始化或者配置或者剪裁run-time library, 這些工作都必須在主程序運行前完成,所以一個startup程序或者程序組對于一個嵌入式系統來說是非常重要的。要編寫startup程序,需要對編譯器、鏈接器和匯編器的細節有一定的了解,同時對ARM芯片硬件本身的地址分配以及memory mapping機制也需要有一些了解。 
        2 ARM 程序的工作過程 
        首先由各種source file經過編譯產生object文件,然后object文件經過鏈接生成Image文件,然后通過ICE的方法,根據描述文件的指定下載到目標板上的固態存儲器指定地址當中,比如flash,EEPROM, ROM等等。在程序執行之前,根據某些描述文件,將需要讀寫數據的部分讀出放入動態存儲器比如RAM當中,然后程序從ROM開始執行;蛘哂袝r為了提高程序的運行速度,也可以將所有的程序(有一些root的部分除外,以后會提及)通過一個描述文件放入指定的RAM當中,然后程序從RAM開始執行,但是這樣會耗費大量的動態存儲器,所以大部分程序會取折中的方法,將需要快速運行的部分和要讀寫的部分放入RAM中(一般讀固態存儲器的過程和動態存儲器的過程是一樣的,但是寫就不同了,所以讀寫的部分一定要放到RAM中),而只讀的部分和對速度要求不是那么高的部分放入固態存儲器。同時ARM結構的異常向量表規定放在地址為0x00000000開始的地址空間上,而一般的CPU為了提高異常相應速度,會將這個向量段remap到其他的RAM當中,所以在描述文件當中必須精確指定異常向量跳轉程序的地址到remap的地方。在application程序執行前,還需要由一些文件描述application程序執行的環境。比如系統工作時鐘,總線頻率,F在一般嵌入式編程語言為C,C++等。如果在使用它們的時候使用的runtime-library,那么在程序執行前還需要為這些庫函數初始化heap。然后ARM可能工作在不同的模式,還需要為不同的工作模式設置stack。這樣,描述鏈接地址的文件,以及在application運行前所有的初始化程序就是startup程序組 
        3 STARTUP分類 
        這樣,將startup程序所完成的功能分類。一類是鏈接地址描述,一類是各種初始化的程序。根據不同的應用,描述文件和初始化程序的內容以及結構和復雜程度都會不同。但是基本上,它們都必須實現以下功能。 
        3.1 描述文件實現功能 
        描述文件可以是鏈接命令行上簡單的幾個字符,也可以是一個非常復雜的文件,但是它必須完成如下功能: 
        ; 指定程序下載的地址 
        ; 指定程序執行的地址 
        3.2 初始化程序實現的功能 
        初始化程序根據不同的應用,其結構和復雜度也不同,但是它必須完成如下基本功能: 
        ; 異常向量初始化 
        ; 內存環境初始化 
        ; 其他硬件環境初始化


      基于ARM的芯片多數為復雜的片上系統,這種復雜系統里的多數硬件模塊都是可配置的,需要由軟件來設置其需要的工作狀態。因此在用戶的應用程序之前,需要由專門的一段代碼來完成對系統的初始化。由于這類代碼直接面對處理器內核和硬件控制器進行編程,一般都是用匯編語言。一般通用的內容包括:
      中斷向量表
      初始化存儲器系統
      初始化堆棧
      初始化有特殊要求的斷口,設備
      初始化用戶程序執行環境
      改變處理器模式
      呼叫主應用程序 
      1. 中斷向量表
      ARM要求中斷向量表必須放置在從0地址開始,連續8X4字節的空間內。
      每當一個中斷發生以后,ARM處理器便強制把PC指針置為向量表中對應中斷類型的地址值。因為每個中斷只占據向量表中1個字的存儲空間,只能放置一條ARM指令,使程序跳轉到存儲器的其他地方,再執行中斷處理。
      中斷向量表的程序實現通常如下表示:
      AREA Boot ,CODE, READONLY
      ENTRY
      B    ResetHandler
      B    UndefHandler
      B    SWIHandler
      B    PreAbortHandler
      B    DataAbortHandler
      B
      B    IRQHandler
      B    FIQHandler
      其中關鍵字ENTRY是指定編譯器保留這段代碼,因為編譯器可能會認為這是一段亢余代碼而加以優化。鏈接的時候要確保這段代碼被鏈接在0地址處,并且作為整個程序的入口。 
      2. 初始化存儲器系統
      (1)存儲器類型和時序配置
      通常Flash和SRAM同屬于靜態存儲器類型,可以合用同一個存儲器端口;而DRAM因為有動態刷新和地址線復用等特性,通常配有專用的存儲器端口。
      存儲器端口的接口時序優化是非常重要的,這會影響到整個系統的性能。因為一般系統運行的速度瓶頸都存在于存儲器訪問,所以存儲器訪問時序應盡可能的快;而同時又要考慮到由此帶來的穩定性問題。
      (2)存儲器地址分布
      一種典型的情況是啟動ROM的地址重映射。
      3. 初始化堆棧
      因為ARM有7種執行狀態,每一種狀態的堆棧指針寄存器(SP)都是獨立的。因此,對程序中需要用到的每一種模式都要給SP定義一個堆棧地址。方法是改變狀態寄存器內的狀態位,使處理器切換到不同的狀態,讓后給SP賦值。注意:不要切換到User模式進行User模式的堆棧設置,因為進入User模式后就不能再操作CPSR回到別的模式了,可能會對接下去的程序執行造成影響。
      這是一段堆棧初始化的代碼示例,其中只定義了三種模式的SP指針:
      MRS   R0,CPSR
      BIC    R0,R0,#MODEMASK  安全起見,屏蔽模式位以外的其他位
      ORR   R1,R0,#IRQMODE
      MSR   CPSR_cxfs,R1
      LDR   SP,=UndefStack

      ORR   R1,R0,#FIQMODE
      MSR   CPSR_cxsf,R1
      LDR   SP,=FIQStack

      ORR   R1,R0,#SVCMODE
      MSR   CPSR_cxsf,R1
      LDR   SP,=SVCStack
      4. 初始化有特殊要求的端口,設備
      5. 初始化應用程序執行環境
      映像一開始總是存儲在ROM/Flash里面的,其RO部分即可以在ROM/Flash里面執行,也可以轉移到速度更快的RAM中執行;而RW和ZI這兩部分是必須轉移到可寫的RAM里去。所謂應用程序執行環境的初始化,就是完成必要的從ROM到RAM的數據傳輸和內容清零。
      下面是在ADS下,一種常用存儲器模型的直接實現:
      LDR    r0,=|Image$$RO$$Limit|      得到RW數據源的起始地址
      LDR    r1,=|Image$$RW$$Base|      RW區在RAM里的執行區起始地址
      LDR    r2,=|Image$$ZI$$Base|        ZI區在RAM里面的起始地址
      CMP    r0,r1                      比較它們是否相等
            BEQ    %F1
      0     CMP    r1,r3
            LDRCC  r2,[r0],#4
            STRCC  r2,[r1],#4
            BCC    %B0
      1     LDR    r1,=|Image$$ZI$$Limit|
            MOV   r2,#0
      2     CMP    r3,r1
            STRCC  r2,[r3],#4
            BCC    %B2
      程序實現了RW數據的拷貝和ZI區域的清零功能。其中引用到的4個符號是由鏈接器第一輸出的。
      |Image$$RO$$Limit|:表示RO區末地址后面的地址,即RW數據源的起始地址
      |Image$$RW$$Base|:RW區在RAM里的執行區起始地址,也就是編譯器選項RW_Base指定的地址
      |Image$$ZI$$Base|:ZI區在RAM里面的起始地址
      |Image$$ZI$$Limit|:ZI區在RAM里面的結束地址后面的一個地址
      程序先把ROM里|Image$$RO$$Limt|開始的RW初始數據拷貝到RAM里面|Image$$RW$$Base|開始的地址,當RAM這邊的目標地址到達|Image$$ZI$$Base|后就表示RW區的結束和ZI區的開始,接下去就對這片ZI區進行清零操作,直到遇到結束地址|Image$$ZI$$Limit|
      6. 改變處理器模式
      因為在初始化過程中,許多操作需要在特權模式下才能進行(比如對CPSR的修改),所以要特別注意不能過早的進入用戶模式。
      內核級的中斷使能也可以考慮在這一步進行。如果系統中另外存在一個專門的中斷控制器,這么做總是安全的。
      7. 呼叫主應用程序
      當所有的系統初始化工作完成之后,就需要把程序流程轉入主應用程序。最簡單的一種情況是:
      IMPORT main
      B      main
      直接從啟動代碼跳轉到應用程序的主函數入口,當然主函數名字可以由用戶隨便定義。
      在ARM ADS環境中,還另外提供了一套系統級的呼叫機制。
      IMPORT __main
      B     __main
      __main()是編譯系統提供的一個函數,負責完成庫函數的初始化和初始化應用程序執行環境,最后自動跳轉到main()函數。

      * 文件      : 連載二 
      * 版本   : V1.00 
      * 作者      : 潘自強 
      * 
      * 對象      : ARM7 
      * 模式      : ARM 
      * 工具      : ADS1.20 
      ********************************************************************************************************* 
      */ 


      4 描述文件 
      要編寫描述文件,必須知道ARM Image文件的組成及ARM Image文件執行的機理。 
      4.1 ARM Image的結構 
      一個ARM Image structure由linker在以下幾個方面定義: 
       組成它的regions 和 output sections 
       當Image 下載的時候這些regions 和 sections 在內存中的位置 
       當Image 執行時這些regions和sections在內存中的位置 
      4.1.1 ARM Image的組成 
      一個ARM Image被保存在可執行文件當中,它的層次結構可以包括Image,regions,output sections和input sections。 
       一個Image由一個或多個regions組成,每個region包括一個或多個output sections 
       每個output section由一個或多個input sections組成 
       Input sections是一個object file中的code和data信息。 
      Image的結構如 
      下圖: 
      1 附圖: tu1.JPG (24684 字節) 
      NOTE Input section,output section和region的定義見ADS_LinkerGuide 3-3頁。 
      同時Input section 有幾種屬性,分別為readonly,read-write,zero-initialized。分別稱為RO,RW和ZI。屬性來源于AREA后的attr屬性。 
      比如CODE是RO,DATA是RW,NOINT默認為ZI,即用0值初始化,但是可以選擇不進行0值初始化。ZI屬性僅僅來源于SPACE, DCB, DCD, DCDU, DCQ, DCQU, DCW, 或者DCWU。由以上定義,ZI屬性的包含于RW屬性,它是有初始值的RW數據。又例如在C語言中,代碼為RO,靜態變量和全局變量是RW,ZI的。
      1xx
      文件      : 連載三 
      * 版本   : V1.00 
      * 作者      : 潘自強 
      * 
      * 對象      : ARM7 
      * 模式      : ARM 
      * 工具      : ADS1.20 
      ********************************************************************************************************* 
      */ 

      4.1.2 Image 的Load view 和 execution view 
      在下載的時候Image regions被放置在memory map當中,而在執行Image前,或許你需要將一些regions放置在它們執行時的地址上,并建立起ZI regions。例如,你初始化的RW數據需要從它在下載時的在ROM中的地址處移動到執行時RAM的地址處。 
      1 附圖: tu2.jpg (640566 字節)
      2xx

      NOTE Load view 和execution view的詳細定義見ADS_LinkerGuide 3-4 
      以上的描述包括二個內容,一是要指定各個section在load view和execution view時的地址即memory map,二是要在執行前根據這些地址進行section的初始化。 
      4.1.3 制定Memory map 
      制定memory map的方法基本上有二種,一是在link時使用命令行選項,并在程序執行前利用linker pre-define symbol使用匯編語言制定section的段初始化,二是使用scatter file。以上二種方法依應用程序的復雜度而定,一針對簡單的情況,二針對復雜的情況。


      * 文件      : 連載四 
      * 版本   : V1.00 
      * 作者      : 潘自強 
      * 
      * 對象      : ARM7 
      * 模式      : ARM 
      * 工具      : ADS1.20 
      ****************************************************************************** 
      *************************** 
      */ 

      4.1.1.1 利用linker pre-define symbol使用匯編程序 
      這是簡單的方法,針對簡單的memory map。在link時使用選項-ro, -rw, 等等指定memory map的地址。詳細說明參看ADS_LinkerGuide中命令行選項說明。然后利用匯編使用pre-define symbol,來進行各種段的定位。Linker pre-define定義如下: 
      1 附圖: tu1.jpg (22811 字節)
      3xx

      由前面對ZI的說明,Image$$RW$$Limit = Image$$ZI$$Limit。 
      2 附圖: tu2.jpg (30577 字節)
      4xx

      這些都是linker預先定義的外部變量,在使用的時候可以用IMPORT引入。下面給出一個例子。 
      假設linker 選項為:-ro-base 0x40000000 -rw-base 0x40003000。程序和只讀變量(const 變量)大小為0x84,這樣RO section的大小為0x84 bytes。Data的大小為0x04 bytes,并且data被初始化,則RW section的大小為0x04,ZI section的大小為0x04。這樣程序 
      在load view,地址是這樣的: 
      0x40000000開始到地址0x40000080,是RO section部分(程序從0x40000000開始),Image$$RO$$Limit = 0x40000084. 
      0x40000084地址開始到地址0x40000084,是RW section部分。 

      在execution view,由linker的選項,各個section的地址是這樣的: 
      RO section的地址不變。 
      RW section的起始地址應當為0x40003000,則Image$$RW$$Base = 0x40003000。 
      因為全部的0x04 bytes data被初始化,所以Image$$RW$$Limit = Image$$ZI$$Limt = 0x40003004。 
      現在要做的就是將RW section移到以0x40003000開始的地方,并且創造一個ZI section。 
      一個更通用的做法是: 
      首先比較Image$$RO$$Limit和mage$$RW$$Base,如果相等,說明execution view下RW section的地址和load view 下RW section的地址相同,這樣,不需要移動RW section;如果不等,說明需要移動RW section 到它在execution view中的地方。然后將Image$$ZI$$Base地址到Image$$ZI$$Limt地址的內容清零。 
      示例代碼如下: 
      ;讀入linker pre-define symbols 

      IMPORT |Image$$RO$$Limit| 
      IMPORT |Image$$RW$$Base| 
      IMPORT |Image$$ZI$$Base| 
      IMPORT |Image$$ZI$$Limit| 

      ; .......一些其他的代碼或偽指令 

      ;R0讀入section load address 
      LDR R0,=|Image$$RO$$Limit| 
      ;R1讀入section execution address 
      LDR R1,=|Image$$RW$$Base| 
      ;R2讀入execution section 后的緊跟的word address 
      LDR R2,=|Image$$ZI$$Base| 
      ;檢查RW section的地址在load view和execution view下 
      ;是否相等,如果相等,就不移動RW section,直接建立 
      ;ZI scetion 
      CMP R0,R1 
      BEQ do_zi_init 

      ;否則就copy RW section到execution view下指定的地址 
      BL copy 

      ; ...... 
      ; ...... 

      ;copy 是一個用于copy的子函數,它把從R0中的地址開始的 
      ;section copy到R1中的地址開始的section,這個section的 
      ;上限地址后緊跟的word address保存在R2中 
      copy 
      CMP R1,R2 
      LDRCC R3,[R0],#4 
      STRCC R3,[R1],#4 
      BCC copy 
      MOV PC,LR 

      ; ...... 
      ; ...... 
      ;do_zi_int子函數是為創建ZI section做一些準備工作 
      do_zi_int 
      ;將ZI section開始的地址裝入R1 
      LDR R1,=|Image$$ZI$$Base| 
      ;將ZI section結束后緊跟的word address裝入R2 
      LDR R2,=|Image$$ZI$$Limit| 
      ;將ZI section 需要的初始化量裝入R3 
      MOV R3,#0 
      BL zi_int 


      ; ...... 
      ; ...... 
      ;zi_int子函數用于建立并初始化ZI section,ZI section的 
      ;開始地址儲存在R1,ZI section結束后緊跟的word address 
      ;地址儲存在R2 

      zi_int 
      CMP R1,R2 
      STRCC R3,[R1],#4 
      BCC zi_int 
      MOV PC,LR 

      ; ...... 
      ; ...... 
      這個方法針對比較簡單的應用,如果需要進行一個比較復雜的memory map,如下圖,那么這個方法就不適用了。為了解決復雜memory map的問題 
      需要用到scatter load 機制。 
      3 附圖: tu3.jpg (32473 字節)
      5xx
      Tags:ARM的啟動分析,ARM,知識點  
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