2019年12月05日 | ARM的启动分析

基于ARM的芯片多数为复杂的片上系统，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。一般通用的内容包括：

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断口，设备
初始化用户程序执行环境
改变处理器模式
呼叫主应用程序 

1. 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指针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：
AREA Boot ,CODE, READONLY
ENTRY
B ResetHandler
B UndefHandler
B SWIHandler
B PreAbortHandler
B DataAbortHandler
B
B IRQHandler
B FIQHandler

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，让后给SP赋值。注意：不要切换到User模式进行User模式的堆栈设置，因为进入User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。

这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：
MRS   R0,CPSR
BIC    R0,R0,#MODEMASK  安全起见，屏蔽模式位以外的其他位
ORR   R1,R0,#IRQMODE
MSR   CPSR_cxfs,R1
LDR   SP,=UndefStack

ORR   R1,R0,#FIQMODE
MSR   CPSR_cxsf,R1
LDR   SP,=FIQStack

ORR   R1,R0,#SVCMODE
MSR   CPSR_cxsf,R1
LDR   SP,=SVCStack

4. 初始化有特殊要求的端口，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部分即可以在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：
LDR    r0,=|Image$$RO$$Limit|      得到RW数据源的起始地址
LDR    r1,=|Image$$RW$$Base|      RW区在RAM里的执行区起始地址
LDR    r2,=|Image$$ZI$$Base|        ZI区在RAM里面的起始地址
CMP    r0,r1                      比较它们是否相等
      BEQ    %F1
0     CMP    r1,r3
      LDRCC  r2,[r0],#4
      STRCC  r2,[r1],#4
      BCC    %B0
1     LDR    r1,=|Image$$ZI$$Limit|
      MOV   r2,#0
2     CMP    r3,r1
      STRCC  r2,[r3],#4
      BCC    %B2
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个符号是由链接器第一输出的。

|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. 呼叫主应用程序
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。

* 文件      : 连载二 
* 版本   : V1.00 
* 作者      : 潘自强 
* 
* 对象      : ARM7 
* 模式      : ARM 
* 工具      : ADS1.20 
********************************************************************************************************* 
*/ 


4 描述文件 
要编写描述文件，必须知道ARM Image文件的组成及ARM Image文件执行的机理。 
4.1 ARM Image的结构 
一个ARM Image structure由linker在以下几个方面定义： 
 组成它的regions 和 output sections 
 当Image 下载的时候这些regions 和 sections 在内存中的位置 
 当Image 执行时这些regions和sections在内存中的位置 
4.1.1 ARM Image的组成 
一个ARM Image被保存在可执行文件当中，它的层次结构可以包括Image，regions，output sections和input sections。 
 一个Image由一个或多个regions组成，每个region包括一个或多个output sections 
 每个output section由一个或多个input sections组成 
 Input sections是一个object file中的code和data信息。 
Image的结构如 
下图： 
1 附图: tu1.JPG (24684 字节) 
NOTE Input section，output section和region的定义见ADS_LinkerGuide 3-3页。 
同时Input section 有几种属性，分别为readonly，read-write，zero-initialized。分别称为RO，RW和ZI。属性来源于AREA后的attr属性。 
比如CODE是RO，DATA是RW，NOINT默认为ZI，即用0值初始化，但是可以选择不进行0值初始化。ZI属性仅仅来源于SPACE, DCB, DCD, DCDU, DCQ, DCQU, DCW, 或者DCWU。由以上定义，ZI属性的包含于RW属性，它是有初始值的RW数据。又例如在C语言中，代码为RO，静态变量和全局变量是RW，ZI的。

文件      : 连载三 
* 版本   : V1.00 
* 作者      : 潘自强 
* 
* 对象      : ARM7 
* 模式      : ARM 
* 工具      : ADS1.20 
********************************************************************************************************* 
*/ 

4.1.2 Image 的Load view 和 execution view 
在下载的时候Image regions被放置在memory map当中，而在执行Image前，或许你需要将一些regions放置在它们执行时的地址上，并建立起ZI regions。例如，你初始化的RW数据需要从它在下载时的在ROM中的地址处移动到执行时RAM的地址处。 
1 附图: tu2.jpg?imageView2/2/w/550 (640566 字节)

NOTE Load view 和execution view的详细定义见ADS_LinkerGuide 3-4 
以上的描述包括二个内容，一是要指定各个section在load view和execution view时的地址即memory map，二是要在执行前根据这些地址进行section的初始化。 
4.1.3 制定Memory map 
制定memory map的方法基本上有二种，一是在link时使用命令行选项，并在程序执行前利用linker pre-define symbol使用汇编语言制定section的段初始化，二是使用scatter file。以上二种方法依应用程序的复杂度而定，一针对简单的情况，二针对复杂的情况。

* 文件      : 连载四 
* 版本   : V1.00 
* 作者      : 潘自强 
* 
* 对象      : ARM7 
* 模式      : ARM 
* 工具      : ADS1.20 
****************************************************************************** 
*************************** 
*/ 

4.1.1.1 利用linker pre-define symbol使用汇编程序 
这是简单的方法，针对简单的memory map。在link时使用选项-ro, -rw, 等等指定memory map的地址。详细说明参看ADS_LinkerGuide中命令行选项说明。然后利用汇编使用pre-define symbol，来进行各种段的定位。Linker pre-define定义如下： 
1 附图: tu1.jpg?imageView2/2/w/550 (22811 字节)

由前面对ZI的说明，Image$$RW$$Limit = Image$$ZI$$Limit。 
2 附图: tu2.jpg?imageView2/2/w/550 (30577 字节)

这些都是linker预先定义的外部变量，在使用的时候可以用IMPORT引入。下面给出一个例子。 

假设linker 选项为：-ro-base 0x40000000 -rw-base 0x40003000。程序和只读变量(const 变量)大小为0x84，这样RO section的大小为0x84 bytes。Data的大小为0x04 bytes，并且data被初始化，则RW section的大小为0x04，ZI section的大小为0x04。这样程序 
在load view，地址是这样的： 
0x40000000开始到地址0x40000080，是RO section部分（程序从0x40000000开始），Image$$RO$$Limit = 0x40000084. 
0x40000084地址开始到地址0x40000084，是RW section部分。 

在execution view，由linker的选项，各个section的地址是这样的： 
RO section的地址不变。 
RW section的起始地址应当为0x40003000，则Image$$RW$$Base = 0x40003000。 
因为全部的0x04 bytes data被初始化，所以Image$$RW$$Limit = Image$$ZI$$Limt = 0x40003004。 

现在要做的就是将RW section移到以0x40003000开始的地方，并且创造一个ZI section。 
一个更通用的做法是： 
首先比较Image$$RO$$Limit和mage$$RW$$Base，如果相等，说明execution view下RW section的地址和load view 下RW section的地址相同，这样，不需要移动RW section；如果不等，说明需要移动RW section 到它在execution view中的地方。然后将Image$$ZI$$Base地址到Image$$ZI$$Limt地址的内容清零。 

示例代码如下： 
;读入linker pre-define symbols 

IMPORT |Image$$RO$$Limit| 
IMPORT |Image$$RW$$Base| 
IMPORT |Image$$ZI$$Base| 
IMPORT |Image$$ZI$$Limit| 

; .......一些其他的代码或伪指令 

;R0读入section load address 
LDR R0,=|Image$$RO$$Limit| 
;R1读入section execution address 
LDR R1,=|Image$$RW$$Base| 
;R2读入execution section 后的紧跟的word address 
LDR R2,=|Image$$ZI$$Base| 
;检查RW section的地址在load view和execution view下 
;是否相等，如果相等，就不移动RW section，直接建立 
;ZI scetion 
CMP R0,R1 
BEQ do_zi_init 

;否则就copy RW section到execution view下指定的地址 
BL copy 

; ...... 
; ...... 

;copy 是一个用于copy的子函数，它把从R0中的地址开始的 
;section copy到R1中的地址开始的section，这个section的 
;上限地址后紧跟的word address保存在R2中 
copy 
CMP R1,R2 
LDRCC R3,[R0],#4 
STRCC R3,[R1],#4 
BCC copy 
MOV PC,LR 

; ...... 
; ...... 
;do_zi_int子函数是为创建ZI section做一些准备工作 
do_zi_int 
;将ZI section开始的地址装入R1 
LDR R1,=|Image$$ZI$$Base| 
;将ZI section结束后紧跟的word address装入R2 
LDR R2,=|Image$$ZI$$Limit| 
;将ZI section 需要的初始化量装入R3 
MOV R3,#0 
BL zi_int 


; ...... 
; ...... 
;zi_int子函数用于建立并初始化ZI section,ZI section的 
;开始地址储存在R1，ZI section结束后紧跟的word address 
;地址储存在R2 

zi_int 
CMP R1,R2 
STRCC R3,[R1],#4 
BCC zi_int 
MOV PC,LR 

; ...... 
; ...... 
这个方法针对比较简单的应用，如果需要进行一个比较复杂的memory map，如下图，那么这个方法就不适用了。为了解决复杂memory map的问题 
需要用到scatter load 机制。 
3 附图: tu3.jpg?imageView2/2/w/550 (32473 字节)