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基于ARM體系的嵌入式系統(tǒng)BSP的程序設(shè)計(jì)
摘要：在介紹基于ARM體系的嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)流程的基礎(chǔ)上，結(jié)合編程實(shí)例，詳細(xì)、系統(tǒng)地?cái)⑹隽薆SP（板級(jí)支持包）程序的各個(gè)組成部分及其具體設(shè)計(jì)方案，并就實(shí)際程序設(shè)計(jì)中的幾個(gè)難點(diǎn)問題做了說明。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(jí)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(duì)于操作系統(tǒng)而言的，不同的操作系統(tǒng)對(duì)應(yīng)于不同定義形式的BSP，例如VxWorks的BSP和Linux的BSP相對(duì)于某一CPU來說，盡管實(shí)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(duì)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(jì)。本文引用的源碼全部是基于HMS320C7202芯片設(shè)計(jì)，并已成功運(yùn)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(dòng)流程如圖1所示。
1.1 設(shè)置入口指針
啟動(dòng)程序首先必須定義指針，而且整個(gè)應(yīng)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(jí)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(jí)
每當(dāng)一個(gè)中斷發(fā)生后，ARM處理器便強(qiáng)制把程序計(jì)數(shù)器（PC）指針置為向量表中對(duì)應(yīng)中斷類型的地址值。因?yàn)槊總�(gè)中斷向量?jī)H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(jì)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(duì)于各未用中斷，可使其指向一個(gè)只含返回指令的啞函數(shù)，以防止錯(cuò)誤中斷引起系統(tǒng)的混亂。
1.3 初始化存儲(chǔ)系統(tǒng)
初始化存儲(chǔ)系統(tǒng)的編程對(duì)象是系統(tǒng)的存儲(chǔ)器控制器，一個(gè)系統(tǒng)可能存在多種存儲(chǔ)器類型的接口，不同的存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不盡相同。Flash和SRAM同屬于靜態(tài)存儲(chǔ)器類型，可以合用一個(gè)存儲(chǔ)器端口；而DRAM因?yàn)橛袆?dòng)態(tài)刷新和地址線復(fù)用等特性，通常配有專用的存儲(chǔ)器端口。其中，SDRAM必須在初始化階段進(jìn)行設(shè)置，因?yàn)榇蟛糠值某绦虼a和數(shù)據(jù)都要在SDRAM中運(yùn)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、寫緩沖寫回寄存器和等待驅(qū)動(dòng)寄存器，需要根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)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(shí)時(shí)間可能不同）→設(shè)置配置寄存器參數(shù)→延時(shí)→寫刷新定時(shí)寄存器，設(shè)置刷新周期→延時(shí)→使能自動(dòng)刷新→延時(shí)→設(shè)置模式寄存器（位于SDRAM內(nèi)部）。
1.4 存儲(chǔ)器地址分布重映射（remap）和MMU
系統(tǒng)一上電，程序?qū)⒆詣?dòng)從0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?yàn)镽OM或Flash的訪問速度相對(duì)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(yùn)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(duì)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?yàn)镽AM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(chǔ)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(duì)某些不可訪問的地址空間進(jìn)行保護(hù)等。進(jìn)行存儲(chǔ)器初始化設(shè)計(jì)時(shí)，一定要根據(jù)應(yīng)用程序的具體要求來完成地址分配。對(duì)地址管理通過MMU即存儲(chǔ)器管理單元實(shí)現(xiàn)。
在ARM系統(tǒng)中，MMU通過頁式虛擬存儲(chǔ)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，并建立兩者之間的映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。MMU還可完成存儲(chǔ)器訪問權(quán)限的控制和虛擬存儲(chǔ)器空間緩沖特性的設(shè)置。
以下是實(shí)現(xiàn)MMU的部分代碼：
for=(i=1;i
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