基于ARM體系的嵌入式系統(tǒng)BSP的程序設(shè)計
| 摘要：在介紹基于ARM體系的嵌入式系統(tǒng)啟動流程的基礎(chǔ)上，結(jié)合編程實例，詳細(xì)、系統(tǒng)地敘述了BSP（板級支持包）程序的各個組成部分及其具體設(shè)計方案，并就實際程序設(shè)計中的幾個難點問題做了說明。 關(guān)鍵詞：ARM BSP 嵌入式系統(tǒng) 微處理器 ARM公司在32位RISC的CPU開發(fā)領(lǐng)域不斷取得突破，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)從V3發(fā)展到V6。 BSP（Board Support Package）板級支持包介于主板硬件和操作系統(tǒng)之間，其功能與PC機(jī)上的BIOS相類似，主要完成硬件初始化并切換到相應(yīng)的操作系統(tǒng)。BSP是相對于操作系統(tǒng)而言的，不同的操作系統(tǒng)對應(yīng)于不同定義形式的BSP，例如VxWorks的BSP和Linux的BSP相對于某一CPU來說，盡管實現(xiàn)的功能一樣，可是寫法和接口定義是完全不同的。另外，仔細(xì)研究所用的芯片資料也十分重要，例如盡管ARM在內(nèi)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(tǒng)都要有一定的了解。 本文介紹基于ARM體系的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)初始化部分BSP的程序設(shè)計。本文引用的源碼全部是基于HMS320C7202芯片設(shè)計，并已成功運行。 1 初始化過程 盡管各種嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能差別很大，但其系統(tǒng)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(tǒng)的啟動流程如圖1所示。 1.1 設(shè)置入口指針 啟動程序首先必須定義指針，而且整個應(yīng)用程序只有一個入口指針。一般地，程序在編譯鏈接時將異常中斷向量表鏈接在0地址處，并且作為整個程序入口點。入口點代碼如下： ENTRY（_start） ；開始 1.2 設(shè)置異常中斷向量表 ARM要求中斷向量表必須放置在從0開始、連續(xù)8×4字節(jié)的空間內(nèi)。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 異常中斷類型 異常中斷模式 優(yōu)先級（6最低） 0x0 復(fù)位 特權(quán)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(quán)模式（SVC） 6 0x0c 指令預(yù)取中止 中止模式 5 0x10 數(shù)據(jù)訪問中止 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(dāng)一個中斷發(fā)生后，ARM處理器便強(qiáng)制把程序計數(shù)器（PC）指針置為向量表中對應(yīng)中斷類型的地址值。因為每個中斷向量僅占據(jù)放置1條ARM指令的空間，所以通常放置1條跳轉(zhuǎn)指令或向程序計數(shù)器（PC）寄存器賦值的數(shù)據(jù)訪問指令，使程序跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常中斷處理程序執(zhí)行。如果異常中斷處理程序起始地址小于32MB，使用B跳轉(zhuǎn)指令；如果跳轉(zhuǎn)范圍大于32MB，使用LDR指令。另外，對于各未用中斷，可使其指向一個只含返回指令的啞函數(shù)，以防止錯誤中斷引起系統(tǒng)的混亂。 1.3 初始化存儲系統(tǒng) 初始化存儲系統(tǒng)的編程對象是系統(tǒng)的存儲器控制器，一個系統(tǒng)可能存在多種存儲器類型的接口，不同的存儲系統(tǒng)的設(shè)計不盡相同。Flash和SRAM同屬于靜態(tài)存儲器類型，可以合用一個存儲器端口；而DRAM因為有動態(tài)刷新和地址線復(fù)用等特性，通常配有專用的存儲器端口。其中，SDRAM必須在初始化階段進(jìn)行設(shè)置，因為大部分的程序代碼和數(shù)據(jù)都要在SDRAM中運行。 在HMS30C7202中，與SDRAM配置有關(guān)的寄存器有4個：配置寄存器、刷新定時寄存器、寫緩沖寫回寄存器和等待驅(qū)動寄存器，需要根據(jù)實際的系統(tǒng)設(shè)計對此分別加以正確配置。 SDRAM的初始化過程如下：加電→延遲10ms（各具體SDRAM器件延時時間可能不同）→設(shè)置配置寄存器參數(shù)→延時→寫刷新定時寄存器，設(shè)置刷新周期→延時→使能自動刷新→延時→設(shè)置模式寄存器（位于SDRAM內(nèi)部）。 1.4 存儲器地址分布重映射（remap）和MMU 系統(tǒng)一上電，程序?qū)⒆詣訌?地址處開始執(zhí)行。因此，必須保證在0地址處存在正確的代碼，即要求0地址開始入是非易失性的ROM或Flash等。但是因為ROM或Flash的訪問速度相對較慢，每次中斷響應(yīng)發(fā)生后，都要從讀取ROM或Flash上面的向量表開始，影響了中斷響應(yīng)速度。一般程序執(zhí)行后將SDRAM映射為地址0，并把系統(tǒng)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開始往下執(zhí)行； （2）根據(jù)映射前的地址，對SDRAM進(jìn)行必要的代碼和數(shù)據(jù)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(zhǔn)備好了內(nèi)容，使得PC指針能繼續(xù)在RAM里取得正確的指令。 在這種地址映射的變化過程中，程序員需要仔細(xì)考慮的是：程序的執(zhí)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(nèi)存操作，也可以通過映射對某些不可訪問的地址空間進(jìn)行保護(hù)等。進(jìn)行存儲器初始化設(shè)計時，一定要根據(jù)應(yīng)用程序的具體要求來完成地址分配。對地址管理通過MMU即存儲器管理單元實現(xiàn)。 在ARM系統(tǒng)中，MMU通過頁式虛擬存儲管理，將虛擬空間和物理空間分別分成一個個固定大小的頁，并建立兩者之間的映射關(guān)系，從而實現(xiàn)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。MMU還可完成存儲器訪問權(quán)限的控制和虛擬存儲器空間緩沖特性的設(shè)置。 以下是實現(xiàn)MMU的部分代碼： for=(i=1;i<0x1000;i++) //建立頁表，每頁大小為1MB，頁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(shè)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(shè)置為VA（虛擬地址）=PA（物理地址）+0x1000000 pagetable[0]=(0x42f00000)|MMU_SECDESC|MMU_CACHEABLE|MMU_BUFFERABLE; |
