ARM启动过程分析

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基于ARM的芯片多数为复杂的SoC,这种复杂系统里的多数硬件模块都是可配置的,需要由软件来设置其需要的工作状态。因此在启动用户的应用程序之前,需要由专门的一段代码来完成对系统的初始化。由于这类代码直接面对处理器内核和硬件控制器进行编程,一般都是用汇编语言编写的。一般通用的内容包括:

  • 初始化中断向量表
  • 初始化存储器系统
  • 初始化堆栈
  • 初始化有特殊要求的端口和设备
  • 初始化用户程序执行环境
  • 改变处理器模式
  • 调用主应用程序 

1. 初始化中断向量表
ARM要求中断向量表必须放置在从0地址开始,连续8X4字节的空间内。
每当一个中断发生以后,ARM处理器便强制把PC置为向量表中对应中断类型的地址值。因为每个中断只占据向量表中1个字的存储空间,只能放置一条ARM指令,使程序跳转到存储器的其他地方,再执行中断处理。
中断向量表的程序实现通常如下表示:

其中关键字ENTRY是指定编译器保留这段代码,因为编译器可能会认为这是一段亢余代码而加以优化。链接的时候要确保这段代码被链接在0地址处,并且作为整个程序的入口。 

2. 初始化存储器系统
(1)存储器类型和时序配置
通常Flash和SRAM同属于静态存储器类型,可以合用同一个存储器端口;而DRAM因为有动态刷新和地址线复用等特性,通常配有专用的存储器端口。
存储器端口的接口时序优化是非常重要的,这会影响到整个系统的性能。因为一般系统运行的速度瓶颈都存在于存储器访问,所以存储器访问时序应尽可能的快;而同时又要考虑到由此带来的稳定性问题。
(2)存储器地址分布
一种典型的情况是启动ROM的地址重映射。

3. 初始化堆栈
因为ARM有7种执行状态,每一种状态的堆栈指针寄存器(SP)都是独立的。因此,对程序中需要用到的每一种模式都要给SP定义一个堆栈地址。方法是改变状态寄存器内的状态位,使处理器切换到不同的状态,然后给SP赋值。注意:不要切换到usr模式进行usr模式的堆栈设置,因为进入usr模式后就不能再操作CPSR回到别的模式了,可能会对接下去的程序执行造成影响。

下面是一段堆栈初始化的代码示例,其中只定义了三种模式的SP指针:

 

4. 初始化有特殊要求的端口和设备
5. 初始化应用程序执行环境

映像一开始总是存储在ROM/Flash里面的,其RO部分既可以在ROM/Flash里面执行,也可以转移到速度更快的RAM中执行;而RW和ZI这两部分是必须转移到可写的RAM里去。所谓应用程序执行环境的初始化,就是完成必要的从ROM到RAM的数据传输和内容清零。
下面是在ADS下,一种常用存储器模型的直接实现:

程序实现了RW数据的拷贝和ZI区域的清零功能。其中引用到的4个符号是由链接器定义输出的。

|Image$$RO$$Limit|:表示RO区末地址后面的地址,即RW数据源的起始地址
|Image$$RW$$Base|:RW区在RAM里的执行区起始地址,也就是编译器选项RW_Base指定的地址
|Image$$ZI$$Base|:ZI区在RAM里面的起始地址
|Image$$ZI$$Limit|:ZI区在RAM里面的结束地址后面的一个地址
程序先把ROM里|Image$$RO$$Limt|开始的RW初始数据拷贝到RAM里面|Image$$RW$$Base|开始的地址,当RAM这边的目标地址到达|Image$$ZI$$Base|后就表示RW区的结束和ZI区的开始,接下去就对这片ZI区进行清零操作,直到遇到结束地址|Image$$ZI$$Limit|。

6. 改变处理器模式
因为在初始化过程中,许多操作需要在特权模式下才能进行(比如对CPSR的修改),所以要特别注意不能过早的进入用户模式。
内核级的中断使能也可以考虑在这一步进行。如果系统中另外存在一个专门的中断控制器,这么做总是安全的。

7. 调用主应用程序
当所有的系统初始化工作完成之后,就需要把程序流程转入主应用程序。最简单的一种情况是:
IMPORT main
B      main
直接从启动代码跳转到应用程序的主函数入口,当然主函数名字可以由用户随便定义。
在ARM ADS环境中,还另外提供了一套系统级的呼叫机制。
IMPORT __main
B     __main
__main()是编译系统提供的一个函数,负责完成库函数的初始化和初始化应用程序执行环境,最后自动跳转到main()函数。