ARM的启动代码(3):异常向量

ARM的启动代码是非常重要的代码，直接关系到系统的稳定性和可靠性(这里主要讨论arm7, arm9；cortex系列的会在后续的文章中讨论)。上次我们通过两则文章讨论了ARM启动代码的过程，

ARM的启动代码(1):介绍

ARM的启动代码(2):AT91SAM9260启动详解

 这次我们聊聊ARM的代码的具体编写。那么什么样的代码会涉及到这些问题呢？

1.Bootloader或者位于启动序列上进行加载其他应用程序的程序；

2.单独的二进制镜像，直接可以在ARM处理器上直接执行。

 

这两种代码都需要对 ARM 的启动过程有深入理解。说深入理解，其实只有一条，闹闹记住，ARM7,ARM9的异常向量表从地址0开始。这是铁打不能改变的事实。这样一来，所有的程序都要用0地址存储自己的向量表，这岂不是成了稀缺资源。所以不同家的ARM芯片都提供了一些办法解决这种问题。

 

对于arm7，很多芯片使用片内的flash。如at91sam7x256。为了方便，经常需要bootloader + 应用程序的方式。At91sam7x256提供了一个叫boot Memory的地址，1Mbytes, 从0x0~0x000F FFFF。可以映射成为内部的Flash和内部的SRAM。这个映射是：

Boot Memory: 0x0~0x000F FFFF, 1Mbytes

Internal Flash: 0x0010 0000~0x001F FFFF, 1Mbytes

Internal SRAM:0x0020 0000~0x002F FFFF, 1Mbytes

当Boot Memory映射成Internal Flash，flash的地址仍然从0x0010 0000开始，但是从0x0访问，等同于访问0x0010 0000；当映射成为 Internal SRAM，SRAM地址不变，访问0x0地址，等同于访问0x0020 0000。其实硬件做起来很简单，就是将地址线用逻辑电路稍微处理一下。

 

由于代码都要存放在FLASH里，否则，没电以后，啥都没有了，也无法再次启动。所以，异常向量要从0x0开始，那么自然也要把向量放在这个位置，7x256上电以后默认boot memory 映射从flash开始。也就是说，把向量放在0x0010 0000即可解决这样的问题。

 

当0x0010 0000被占用以后，bootloader 的向量问题解决了，那用户代码的中断向量怎么办呢？不可能把bootloader的向量擦了，把用户自己的向量写入，那岂不是bootloader也完了？这里有个小技巧，如果用户程序从0x0010 1000开始，向量依然从这个位置开始。只不过，在打开中断，向量真正起作用前，将0x0010 1000这个地方向量到SRAM的首地址上，然后切换Boot Memory映射SRAM。那么向量依然从0x0开始。这样的话，无论多少级boot代码，都可以完美的解决该问题。

 

ARM9除了以上的方法，还有个终极的利器，那就是MMU，你高兴放哪就放哪，在向量起作用之前，用MMU将其地址变换为0即可。一点技术含量都没有。

 

道理总是简单的，实现起来总是有点点弯弯绕。我们看看实际的实现吧。这是7x256的向量代码：

 

__vector:

    LDR     PC, [PC,#24]    ; Absolute jump can reach 4 GByte

    LDR     PC, [PC,#24]    ; Branch to undef_handler

    LDR     PC, [PC,#24]    ; Branch to swi_handler

    LDR     PC, [PC,#24]    ; Branch to prefetch_handler

    LDR     PC, [PC,#24]    ; Branch to data_handler

    DC32    0               ; Reserved

    LDR     PC, [PC,#24] ; Branch to irq_handler

    LDR     PC, [PC,#24] ; Branch to fiq_handler

 

 

    DC32    _program_start

    DC32    ARM_ExceptUndefInstrHndlr

    DC32    ARM_ExceptSwiHndlr

    DC32    ARM_ExceptPrefetchAbortHndlr

    DC32    ARM_ExceptDataAbortHndlr

    DC32    0

    DC32    ARM_ExceptIrqHndlr

DC32    ARM_ExceptFiqHndlr

 

这里相对比较简单，对这个指令做一下解释。LDR     PC, [PC,#24]是将当前PC+24的地址的值载入到PC寄存器中。由于ARM流水线的问题，当前执行的指令，地址已经是后面两条了。所以，是+24并不是+32。也就是把_program_start加载入PC指针里。这段代码已经消除了指令当前位置对跳转位置的影响，可以随意的拷贝到任意的地方去执行。这段代码放在0x20 0000地方，可以正常执行；放在0x10 0000地方也可以正常执行。

 

RTEMS的ARM9(CSB337)启动向量：

vector_block:

        ldr     pc, Reset_Handler

        ldr     pc, Undefined_Handler

        ldr     pc, SWI_Handler

        ldr     pc, Prefetch_Handler

        ldr     pc, Abort_Handler

        nop

        ldr     pc, IRQ_Handler

        ldr     pc, FIQ_Handler

 

Reset_Handler:           b       bsp_reset

Undefined_Handler:      b       Undefined_Handler

SWI_Handler:             b       SWI_Handler

Prefetch_Handler:       b       Prefetch_Handler

Abort_Handler:           b       Abort_Handler

                        nop

IRQ_Handler:            b       IRQ_Handler

FIQ_Handler:            b       FIQ_Handler

Rtems是个复杂的操作系统，在汇编代码里安装的只是一个简单的复位向量。其它向量都只是简单的死循环。操作系统运行起来以后，还要再次安装向量的。向量指向操作系统的复杂的处理函数。但不管这些，向量存储的地址是没有改变的。Link脚本上可以看到向量被放在内部的SRAM的首地址上。(CSB337)

 

SECTIONS

{

    .base :

    {

        _sram_base = .;

 

/* reserve room for the vectors and function pointers */

arm_exception_table = .;    

. += 64;

连接器虽然把位置空出来了，但连接器依然不知道将vector_block放到什么位置。怎么办？这里的代码解释了一切。

 

        /*

         * Initialize the MMU. After we return, the MMU is enabled,

         * and memory may be remapped. I hope we don't remap this

         * memory away.

         */

        ldr     r0, =mem_map

        bl      mmu_init

 

        /*

         * Initialize the exception vectors. This includes the

         * exceptions vectors (0x00000000-0x0000001c), and the

         * pointers to the exception handlers (0x00000020-0x0000003c).

         */

        mov     r0, #0

        adr     r1, vector_block

        ldmia   r1!, {r2-r9}

        stmia   r0!, {r2-r9}

        ldmia   r1!, {r2-r9}

        stmia   r0!, {r2-r9}

 

Gnu的工具链并不针对某一个具体的平台。所以解决方案从某种意义上说，更具有普遍意义。先调用mmu_init，这是干什么，实际上是将MMU初始化，将我们定义的.base地址放到0x0位置去。然后紧接着下面的几行代码，是将上面的中断向量到0x0位置去。一共64个字节，实现4GB内的地址绝对跳转。