ARM 啟動代碼詳解.doc

ARM 啟動代碼詳解（Vectors.c、Init.s、Target.c、 Target.h）2010-05-15 16:03啟動代碼是芯片復(fù)位后進入C語言的main（）函數(shù)前執(zhí)行的一段代碼，主要是為運行C語言程序提供基本運行環(huán)境，如初始化存儲器系統(tǒng)等。ARM公司只設(shè)計內(nèi)核，不自己生產(chǎn)芯片，只是把內(nèi)核授權(quán)給其它廠商，其它廠商購買了授權(quán)且加入自己的外設(shè)后生產(chǎn)出各具特色的芯片。這樣就促進了基于ARM處理器核的芯片多元化，但也使得每一種芯片的啟動代碼差別很大，不易編寫出統(tǒng)一的啟動代碼。ADS（針對ARM處理器核的C語言編譯器）的策略是不提供完整的啟動代碼，啟動代碼不足部分或者由廠商提供，或者自己編寫。啟動代碼劃分為4個文件：Vectors.c、Init.s、Target.c、 Target.h。Vectors.c包含異常向量表、堆棧初始化及中斷服務(wù)程序與C程序的接口。Init.s包含統(tǒng)初始化代碼，并跳轉(zhuǎn)到ADS提供的初始化代碼。Target.c和 Target.h包含目標(biāo)板特殊的代碼，包括異常處理程序和目標(biāo)板初始化程序。這樣做的目的是為了盡量減少匯編代碼，同時把不需要修改的代碼獨立出來以減少錯誤。 4.2.1 Vectors.c文件的編寫4.2.1.1 中斷向量表Vectors LDR PC, ResetAddr LDR PC, UndefinedAddr LDR PC, SWI_Addr LDR PC, PrefetchAddr LDR PC, DataAbortAddr DCD 0xb9205f80 LDR PC, PC, #-0xff0 LDR PC, FIQ_AddrResetAddr DCD ResetUndefinedAddr DCD UndefinedSWI_Addr DCD SoftwareInterruptPrefetchAddr DCD PrefetchAbortDataAbortAddr DCD DataAbortnouse DCD 0IRQ_Addr DCD IRQ_HandlerFIQ_Addr DCD FIQ_Handler異常是由內(nèi)部或外部源產(chǎn)生的以引起處理器處理的一個事件。ARM處理器核支持7種類型的異常。異常出現(xiàn)后，CPU強制從異常類型對應(yīng)的固定存儲地址開始執(zhí)行程序。這個固定的地址就是異常向量。向量從上到下依次為復(fù)位、未定義指令異常、軟件中斷、預(yù)取指令中止、預(yù)取數(shù)據(jù)中止、保留的異常、IRQ和 FIQ。IRQ向量“LDR PC, PC, #-0xff0” 使用的指令與其它向量不同。在正常情況下這條指令所在地址為0X00000018。當(dāng)CPU執(zhí)行這條指令但還沒有跳轉(zhuǎn)時，PC的值為0X00000020，0X00000020減去 0X00000FF0為 0XFFFFF030，這是向量中斷控制器（VIC）的特殊寄存器VICVectAddr。這個寄存器保存當(dāng)前將要服務(wù)的IRQ的中斷服務(wù)程序的入口，用這一條指令就可以直接跳轉(zhuǎn)到需要的中斷服務(wù)程序中。至于在保留的異常向量“DCD 0xb9205f80”位置填數(shù)據(jù)0xb9205f8是為了使向量表中所有的數(shù)據(jù)32位累加和為0。4.2.1.2 初始化CPU堆棧InitStack MOV R0, LR MSR CPSR_c, #0xd2 ;設(shè)置中斷模式堆棧 LDR SP, StackIrq MSR CPSR_c, #0xd1 ;設(shè)置快速中斷模式堆棧 LDR SP, StackFiq MSR CPSR_c, #0xd7 ;設(shè)置中止模式堆棧 LDR SP, StackAbt MSR CPSR_c, #0xdb ;設(shè)置未定義模式堆棧 LDR SP, StackUnd MSR CPSR_c, #0xdf ;設(shè)置系統(tǒng)模式堆棧 LDR SP, StackSys MOV PC, R0StackIrq DCD (IrqStackSpace + IRQ_STACK_LEGTH * 4 - 4)StackFiq DCD (FiqStackSpace + FIQ_STACK_LEGTH * 4 - 4)StackAbt DCD (AbtStackSpace + ABT_STACK_LEGTH * 4 - 4)StackUnd DCD (UndtStackSpace + UND_STACK_LEGTH * 4 - 4)StackSys DCD (SysStackSpace + SYS_STACK_LEGTH * 4 -4 );/* 分配堆棧空間 */ AREA MyStacks, DATA, NOINITIrqStackSpace SPACE IRQ_STACK_LEGTH * 4 ;中斷模式堆棧FiqStackSpace SPACE FIQ_STACK_LEGTH * 4 ;快速中斷模式堆棧AbtStackSpace SPACE ABT_STACK_LEGTH * 4 ;中止義模式堆棧UndtStackSpace SPACE UND_STACK_LEGTH * 4 ;未定義模式堆棧SysStackSpace SPACE SYS_STACK_LEGTH * 4 ; 系統(tǒng)模式堆棧因為程序需要切換模式，而且程序退出時CPU的模式已經(jīng)不再是管理模式而是系統(tǒng)模式LR已經(jīng)不再保存返回程序地址，所以程序首先把返回地址保存到 R0中，同時使用R0返回。然后程序把處理器模式轉(zhuǎn)化為IRQ模式，并設(shè)置IRQ模式的堆棧指針。其中變量Stacklrq保存著IRQ模式的堆棧指針的初始值，Irqstackspace是分配給 IRQ模式的堆棧空間的開始地址，IRQ_STACK_LEGTH是用戶定義的常量，用于設(shè)置 IRQ模式的堆?？臻g的大小。程序使用同樣的方法設(shè)置FIQ模式堆棧指針、中止模式堆棧指針、未定義堆棧指針和系統(tǒng)模式堆棧指針。程序使用編譯器分配的空間作為堆棧，而不是按照通常的做法把堆棧分配到 RAM的頂端，之所以這樣是因為這樣做不必知道RAM頂端位置，移植更加方便；編譯器給出的占用RAM空間的大小就是實際占用的大小，便于控制RAM的分配。對于 LPC2106來說，中止模式是不需要分配堆?？臻g的，這是因為 LPC2106沒有外部總線，也沒有虛擬內(nèi)存機制，如果出現(xiàn)取數(shù)據(jù)中止或取指令中止肯定是程序有問題。而一般情況下也不需要模擬協(xié)處理器指令或擴充指令，未定義中止也就意味著程序有錯誤，也不需要分配堆棧空間。4.2.1.3 異常處理代碼與C語言的接口程序C/OS-中斷服務(wù)子程序流程圖如圖4-1所示：圖4-1 中斷服務(wù)子程序流程圖異常處理代碼與C語言的接口程序如下：MACRO$IRQ_Label HANDLER $IRQ_Exception EXPORT $IRQ_Label ；輸出的標(biāo)號 IMPORT $IRQ_Exception ；引用的外部標(biāo)號$IRQ_Label SUB LR, LR, #4 ；計算返回地址 STMFD SP!, R0-R3, R12, LR ；保存任務(wù)環(huán)境 MRS R3, SPSR ；保存狀態(tài) STMFD SP!, R3 LDR R2, =OSIntNesting ；OSIntNesting+ LDRB R1, R2 ADD R1, R1, #1 STRB R1, R2 BL $IRQ_Exception ；調(diào)用c語言的中斷處理程序 MSR CPSR_c, #0x92 ；關(guān)中斷 BL OSIntExit LDR R0, =OSTCBHighRdy LDR R0, R0 LDR R1, =OSTCBCur LDR R1, R1 CMP R0, R1 LDMFD SP!, R3 MSR SPSR_cxsf, R3 LDMEQFD SP!, R0-R3, R12, PC ；不進行任務(wù)切換 LDR PC, =OSIntCtxSw ；進行任務(wù)切換 MENDUndefined ；未定義指令 b UndefinedPrefetchAbort ；取指令中止 b PrefetchAbortDataAbort ；取數(shù)據(jù)中止 b DataAbortIRQ_Handler HANDLER IRQ_Exception ；中斷FIQ_Handler ；快速中斷 b FIQ_HandlerTimer0_Handler HANDLER Timer0 ；定時器0中斷未定義指令異常、取指令中止異常、取數(shù)據(jù)中止異常均是死循環(huán)，其中原因在上一小節(jié)已經(jīng)說明。而快速中斷在本應(yīng)用中并未使用，所以也設(shè)置為死循環(huán)。LPC2106使用向量中斷控制器，各個 IRQ中斷的人口不一樣，所以使用了一個宏來簡化中斷服務(wù)程序與C語言的接口編寫。由ARM處理器核的文檔可知，處理器進入IRQ中斷服務(wù)程序時（LR4）的值為中斷返回地址，為了使任務(wù)無論在主動放棄CPU時還是中斷時堆棧結(jié)構(gòu)都一樣，在這里先把LR減4。其它的部分與C/OS-要求的基本一致。ARM處理核在進入中斷服務(wù)程序時處理器模式變?yōu)镮RQ模式，與任務(wù)的模式不同，它們的堆棧指針SP也不一樣，而寄存器應(yīng)當(dāng)保存到用戶的堆棧中，為了減少不必要的CPU時間和RAM空間的浪費，本移植僅在必要時將處理器的寄存器保存到用戶的堆棧中，其它時候還是保存到IRQ模式的堆棧中。同時，從編譯器的函數(shù)調(diào)用規(guī)范可知，C語言函數(shù)返回時，寄存器R4R11、SP不會改變，所以只需要保存CPSR、R0R3、R12和返回地址LR，在后面保存 CPSR是為了必要時將寄存器保存到用戶堆棧比較方便。在異常處理代碼與C語言的接口程序中沒有與中斷服務(wù)子程序流程圖中的判斷語句對應(yīng)的語句。判斷語句是為了避免在函數(shù)OSIntCtxsw（）調(diào)整堆棧指針，這個調(diào)整量是與編譯器、編譯器選項、C/OS -配置選項都相關(guān)的變量。在這里進行這些處理相對其它處理器結(jié)構(gòu)可能增加的處理器時間很少，但對于ARM來說，由于中斷（IRQ）有獨立的堆棧，在這里這樣做就需要把所有寄存器從中斷的堆棧拷貝到任務(wù)的堆棧，需要花費比較多的額外時間。而變量OSIntNesting為0時，并不一定會進行任務(wù)切換，所以本移植沒有與之對應(yīng)的程序，而在函數(shù)OSIntCtxsw（）中做這一項工作。這樣，僅在需要時才處理這些事物，程序效率得以提高。在中斷調(diào)用后，如果需要任務(wù)切換，則變量OSTCBHighRdy和變量OSTCBCur的值不同；如果不需要任務(wù)切換這兩個變量則相同。本移植通過判斷這兩個變量來決定是進行任務(wù)切換，還是不進行任務(wù)切換。通過比較，如果需要任務(wù)切換則執(zhí)行“LDR PC, =OSIntCtxSw”跳轉(zhuǎn)到OSIntCtxSw處進行任務(wù)切換；如果不需要任務(wù)切換則執(zhí)行“LDMEQFD SP!, R0-R3, R12, PC”中斷返回。這里需要對“MSR CPSR_c, #0x92”說明下，這條指令的作用是關(guān)IRQ中斷。因為中斷（IRQ）模式的LR寄存器在處理器響應(yīng)中斷時用于保存中斷返回地址，所以在處理器響應(yīng)中斷時中斷（IRQ）模式的LR寄存器不能保存有效數(shù)據(jù)。而BL指令要用LR寄存器保存BL下一條指令的位置，所以在中斷（IRQ）模式時，在BL指令之前必須關(guān)中斷，在保存LR后才能開中斷。4.2.2 Target.c文件的編寫為了使系統(tǒng)基本能夠工作，必須在進人 main（）函數(shù)前對系統(tǒng)進行一些基本的初始化工作，這些工作由函數(shù)TargetResetInit（）完成。void TargetResetInit(void) uint32 i； uint32 *cp1； uint32 *cp2； extern void Vectors(void) ； /* 拷貝向量表，保證在flash和ram中程序均可正確運行 */ cp1 = (uint32 *)Vectors； cp2 = (uint32 *)0x40000000； for (i = 0; i 2 * 8; i+) *cp2+ = *cp1+； MEMMAP = 0x2；PINSEL0 = (PINSEL0 & 0xFFFF0000) | UART0_PCB_PINSEL_CFG | 0x50;PLLCON = 1； /* 設(shè)置系統(tǒng)各部分時鐘 */ VPBDIV = 0； PLLCFG =0x23； PLLFEED = 0xaa； PLLFEED = 0x55； while(PLLSTAT & (1 10) = = 0) ； PLLCON = 3； PLLFEED = 0xaa； PLLFEED = 0x55； MAMCR = 2； /* 設(shè)置存儲器加速模塊 */#if Fcclk 20000000 MAMTIM = 1；#else#if Fcclk 40000000 MAMTIM = 2；#else MAMTIM = 3；#endif#endif首先向量表拷貝到RAM底部，加上這部分是為了代碼無論從Flash基地址開始編譯還是從RAM基地址開始編譯程序均運行正確。而把RAM底部映射到向量表“MEMMAP = 0x2”也是為了同一個目的。至于復(fù)制16個字而不是8個字，是因為后8個字存儲跳轉(zhuǎn)的地址是通過 PC指針間接尋址的，它們與對應(yīng)指令（在向量表中）相對位置是不能變化的。因為在進入多任務(wù)環(huán)境前使用了一些外設(shè)，部分外設(shè)使用了芯片的引腳，而 LPC2106的所有引腳都是多功能的，所以需要設(shè)置引腳功能。同時串口也進行了設(shè)置。時鐘是芯片各部分正常工作的基礎(chǔ)，雖然時鐘可以在任何時候設(shè)置，但為了避免混亂，最好在進入 main（）函數(shù)前設(shè)置。程序首先使能PLL但不連接PLL，然后設(shè)置外設(shè)時鐘（VPB時鐘pclk）與系統(tǒng)時鐘（cclk）的分頻比。接著設(shè)置PLL的乘因子和除因子。設(shè)置完成后，使用“PLLFEED = 0xaa; PLLFEED = 0x55;”的訪問序列把數(shù)據(jù)正確寫人硬件，并等待PLL跟蹤完成。最后，使能PLL，并使PLL聯(lián)上系統(tǒng)。本應(yīng)用外接的晶振頻率（Fosc）為11.0592MHz，倍增器的值M=4，所以處理器時鐘（Fcclk）為44.2368 MHz。為了使電流控制振蕩器頻率（Fcco）滿足156-320MHz，所以分頻器的值P=2，使