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嵌入式系統被定義為：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式系統的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，隨著嵌入式系統不斷深入到人們生活中的各個領域，嵌入式處理器得到前所未有的飛速發展。 典型的32位RISC芯片──ARM處理器,不論是在PDA,STB,DVD等消費類電子產品中,還是在GPS,航空,勘探,測量等軍方產品中都得到了廣泛的應用。越來越多的芯片廠商早已看好ARM的前景，如Intel，NS，Ateml，Philips，NEC，CirrusLogic等公司都有相應的產品。在1999年，ARM突破1.5億個，市場份額超過了50%，已經成為業界的龍頭。 在我們研制開發基于ARM7的嵌入式系統過程中，發現技術難點主要在于系統啟動程序的編寫，為此本文詳細論述了在ARM7基礎上開發嵌入式系統時啟動程序的實現。 1.啟動程序流程 嵌入式系統的資源有限,程序通常都是固化在ROM中運行。ROM中程序執行前，需要對系統硬件和軟件運行環境進行初始化，這些工作由用匯編語言編寫的啟動程序完成。啟動程序是嵌入式程序的開頭部分，應與應用程序一起固化在ROM中，并首先在系統上運行。它應包含進各模塊中可能出現的所有段類，并合理安排它們的次序。寫好啟動程序是設計好嵌入式程序的關鍵,系統啟動程序所執行的操作依賴于正在開發其軟件的系統，一般流程如下: 2．詳細步驟 (1)設置入口指針 啟動程序首先必須定義入口指針，而且整個應用程序只有一個入口指針。 (2)設置中斷向量 ARM7要求中斷向量表必須設置在從0地址開始，連續8×4字節的空間，分別是復位、未定義指令錯誤、軟件中斷、預取指令錯誤、數據存取錯誤、IRQ、FIQ和一個保留的中斷向量。 如果ROM定位于0地址，向量表包含一系列指令跳轉到中斷服務程序，否則向量必須被動態初始化。可以在啟動程序中添加一段代碼，使其在運行時將向量表拷貝到0地址開始的存儲器空間。對于各未用中斷，使其指向一個只含返回指令的啞函數，以防止錯誤中斷引起系統的混亂。 (3)初始化堆棧和寄存器 系統堆棧初始化取決于用戶使用了哪些中斷，以及系統需要處理哪些錯誤類型。一般來說管理者堆棧必須設置，如果使用了IRQ中斷，則IRQ堆棧也必須設置。如果系統使用了DRAM或其它外設，需要設置相關的寄存器，以確定其刷新頻率，數據總線寬度等信息。 (4)初始化存儲器系統 有些芯片可通過寄存器編程初始化存儲器系統，而對于較復雜系統通常集成有MMU來管理內存空間。 (5)如有必要改變處理器模式、狀態 如果系統應用程序是運行在用戶模式下，可在此處將系統改為用戶模式并初始化用戶堆棧指針。 (6)初始化C語言所需的存儲器空間 為正確運行應用程序，在初始化期間應將系統需要讀寫的數據和變量從ROM拷貝到RAM里；一些要求快速響應的程序，如中斷處理程序，也需要在RAM中運行；如果使用FLASH，對FLASH的擦除和寫入操作也一定要在RAM里運行。ARM公司軟件開發工具包中的鏈接器提供了分布裝載功能，可以實現這一目的。 (7)呼叫C程序 ARM有兩種指令集:16位THUMB指令集和32位ARM指令集。使用16位的存儲器可以降低成本， 在這種情況下，Thumb指令集的整體執行速度比ARM 32位指令集快，而且提高了代碼密度，所以一般用Thumb編譯器將C語言程序編譯成16位的代碼。 處理器一開始總在arm狀態，可使用BX指令轉換到thumb狀態呼叫C程序。要注意的是用Ｃ語言編寫嵌入式程序時，要避免使用不能被固化到ＲＯＭ中的庫函數。 3．技術難點分析 ⑴.MMU的使用 MMU是存儲器管理單元的縮寫，是用來管理虛擬內存系統的器件。MMU通常是CPU的一部分，本身有少量存儲空間存放從虛擬地址到物理地址的匹配表。此表稱作TLB(轉換旁置緩沖區)。所有數據請求都送往MMU，由MMU決定數據是在RAM內還是在大容量存儲器設備內。如果數據不在存儲空間內，MMU將產生頁面錯誤中斷。 MMU的兩個主要功能是:將虛地址轉換成物理地址;控制存儲器存取允許。MMU關掉時，虛地址直接輸出到物理地址總線。在實踐中，使用MMU解決了如下幾個問題： ①使用DRAM作為大容量存儲器時，如果DRAM的行列是非平方的，會導致該DRAM的物理地址不連續，這將給程序的編寫調試造成極大不便，而適當配置MMU可將其轉換成虛擬地址連續的空間。 ②ARM內核的中斷向量表要求放在0地址， 對于ROM在0地址的情況，無法調試中斷服務程序，所以在調試階段有必要將可讀寫的存儲器空間映射到0地址。 ③系統的某些地址段是不允許被訪問的，否則會產生不可預料的后果,為了避免這類錯誤,可以通過MMU匹配表的設置將這些地址段設為用戶不可存取類型。啟動程序中生成的匹配表中包含地址映射，存儲頁大小(1M,64K,或4K)以及是否允許存取等信息。 例如:目標板上的16兆DRAM的物理地址區間為0xc000，0000～0xc07f，ffff;0xc100，0000～0xc17f，ffff;16兆ROM的虛擬地址區間為:0x0000，0000～0x00ff，ffff。匹配表配置如下: 可以看到左邊是連續的虛擬地址空間，右邊是不連續的物理地址空間，而且將DRAM映射到了0地址區間。 MMU通過虛擬地址和頁面表位置信息，按照轉換邏輯獲得對應物理地址，輸出到地址總線上。應注意到的是使能MMU后，程序繼續運行，但是對于程序員來說程序計數器的指針已經改變，指向了ROM所對應的虛擬地址。 (2)目標文件的分布裝載分析 首先創建一個文本文件，稱為分布裝載描述文件。它為應用程序的各部分指定裝載區間和執行區間。舉例如下: 在ARM鏈接器的命令行里加入“-scov description-file –scf”或“-scatter description-file”，編譯鏈接后，將產生一個分布裝載文件。 鏈接器同時產生一組符號，給出每個分布描述文件中命名的區間的長度，裝載地址和執行地址。由于鏈接器和C庫都沒有將代碼從它的裝載區間拷貝到執行區間，或創建一個零初始化區域的功能，所以要由應用程序員利用這組符號產生的信息完成這項工作，這是在呼叫C程序之前必須完成的，舉例如下： 4．結束語： 本文介紹的啟動程序已經在以Cirrus Logic公司的EP7211和Ateml公司的AT91M40400開發的系統上運行并測試通過。今后可以在這一基礎上添加串行通信模塊和FLASH操作模塊，開發系統監控程序，從而實現應用程序的在線升級。 |
