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作者：赵锐 李德华 胡 伟 石永辉
嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式 系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，随着嵌入式系统不断深入到人们生活中的各个领域，嵌入式处理器得到前所未有的飞速发展。 典型的32位RISC芯片──ARM处理器,不论是在PDA,STB,DVD等消费类电子产品中,还是在GPS,航空,勘探,测量等军方产品中都得到了广泛的应用。越来越多的芯片厂商早已看好ARM的前景，如Intel，NS，Ateml，Philips，NEC，CirrusLogic等公司都有相应的产品。在1999年，ARM突破1.5亿个，市场份额超过了50%，已经成为业界的龙头。 在我们研制开发基于ARM7的嵌入式系统过程中，发现技术难点主要在于系统启动程序的编写，为此本文详细论述了在ARM7基础上开发嵌入式系统时启动程序的实现。 
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1.启动程序流程
嵌入式系统的资源有限,程序通常都是固化在ROM中运行。ROM中程序执行前，需要对系统硬件和软件运行环境进行初始化，这些工作由用汇编语言编写的启动程序完成。 启动程序是嵌入式程序的开头部分，应与应用程序一起固化在ROM中，并首先在系统上运行。它应包含进各模块中可能出现的所有段类，并合理安排它们的次序。 写好启动程序是设计好嵌入式程序的关键,系统启动程序所执行的操作依赖于正在开发其软件的系统，一般流程如下: |
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2．详细步骤
⑴设置入口指针 启动程序首先必须定义入口指针，而且整个应用程序只有一个入口指针。 设置中断向量 ARM7要求中断向量表必须设置在从0地址开始，连续8×4字节的空间，分别是复位、未定义指令错误、软件中断、预取指令错误、数据存取错误、IRQ、FIQ和一个保留的中断向量。 如果ROM定位于0地址，向量表包含一系列指令跳转到中断服务程序，否则向量必须被动态初始化。可以在启动程序中添加一段代码，使其在运行时将向量表拷贝到0地址开始的存储器空间。 对于各未用中断，使其指向一个只含返回指令的哑函数，以防止错误中断引起系统的混乱。 初始化堆栈和寄存器 系统堆栈初始化取决于用户使用了哪些中断，以及系统需要处理哪些错误类型。一般来说管理者堆栈必须设置，如果使用了IRQ中断，则IRQ堆栈也必须设置。 如果系统使用了DRAM或其它外设，需要设置相关的寄存器，以确定其刷新频率，数据总线宽度等信息。 初始化存储器系统 有些芯片可通过寄存器编程初始化存储器系统，而对于较复杂系统通常集成有MMU来管理内存空间。 |
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⑸ 如有必要改变处理器模式、状态
如果系统应用程序是运行在用户模式下，可在此处将系统改为用户模式并初始化用户堆栈指针。 初始化C语言所需的存储器空间。 为正确运行应用程序，在初始化期间应将系统需要读写的数据和变量从ROM拷贝到RAM里；一些要求快速响应的程序，如中断处理程序，也需要在RAM中运行；如果使用FLASH，对FLASH的擦除和写入操作也一定要在RAM里运行。ARM公司软件开发工具包中的链接器提供了分布装载功能，可以实现这一目的。 呼叫C程序。 ARM有两种指令集:16位THUMB指令集和32位ARM指令集。使用16位的存储器可以降低成本， 在这种情况下，Thumb指令集的整体执行速度比ARM 32位指令集快，而且提高了代码密度，所以一般用Thumb编译器将C语言程序编译成16位的代码。 处理器一开始总在arm状态，可使用BX指令转换到thumb状态呼叫C程序。要注意的是用Ｃ语言编写嵌入式程序时，要避免使用不能被固化到ＲＯＭ中的库函数。 |
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3．技术难点分析
⑴.MMU的使用 MMU是存储器管理单元的缩写，是用来管理虚拟内存系统的器件。MMU通常是CPU的一部分，本身有少量存储空间存放从虚拟地址到物理地址的匹配表。此表称作TLB(转换旁置缓冲区)。所有数据请求都送往MMU，由MMU决定数据是在RAM内还是在大容量存储器设备内。如果数据不在存储空间内，MMU将产生页面错误中断。 MMU的两个主要功能是: 将虚地址转换成物理地址。 控制存储器存取允许。MMU关掉时，虚地址直接输出到物理地址总线。 在实践中，使用MMU解决了如下几个问题： ①使用DRAM作为大容量存储器时，如果DRAM的行列是非平方的，会导致该DRAM的物理地址不连续，这将给程序的编写调试造成极大不便，而适当配置MMU可将其转换成虚拟地址连续的空间。 ②ARM内核的中断向量表要求放在0地址， 对于ROM在0地址的情况，无法调试中断服务程序，所以在调试阶段有必要将可读写的存储器空间映射到0地址。 ③系统的某些地址段是不允许被访问的，否则会产生不可预料的后果,为了避免这类错误,可以通过MMU匹配表的设置将这些地址段设为用户不可存取类型。 启动程序中生成的匹配表中包含地址映射，存储页大小(1M,64K,或4K)以及是否允许存取等信息。 例如:目标板上的16兆DRAM的物理地址区间为0xc000，0000～0xc07f，ffff;0xc100，0000～0xc17f，ffff;16兆ROM的虚拟地址区间为:0x0000，0000～0x00ff，ffff。匹配表配置如下: 可以看到左边是连续的虚拟地址空间，右边是不连续的物理地址空间，而且将DRAM映射到了0地址区间。 MMU通过虚拟地址和页面表位置信息，按照转换逻辑获得对应物理地址，输出到地址总线上。 应注意到的是使能MMU后，程序继续运行，但是对于程序员来说程序计数器的指针已经改变，指向了ROM所对应的虚拟地址。 ⑵目标文件的分布装载分析 首先创建一个文本文件，称为分布装载描述文件。它为应用程序的各部分指定装载区间和执行区间。 举例如下: FLASH 0x01000000 0x011fffff ；2M FLASH { FLASH 0x01000000 { boot.o(BOOT，+First) * (+RO) } DRAM 0x00000000 { vector.0(VECTOR，+First) int_handler.o (+RO) * (+RW，+ZI) } } 在ARM链接器的命令行里加入“-scov description-file –scf”或“-scatter description-file”，编译链接后，将产生一个分布装载文件。 链接器同时产生一组符号，给出每个分布描述文件中命名的区间的长度，装载地址和执行地址。由于链接器和C库都没有将代码从它的装载区间拷贝到执行区间，或创建一个零初始化区域的功能，所以要由应用程序员利用这组符号产生的信息完成这项工作，这是在呼叫C程序之前必须完成的，举例如下： LDR r0, = |Load$$DRAM$$Base| LDR r1, = |Image$$DRAM$$Base| CMP r0, r1 ; 检查装载地址和执行地址是否相同 BEQ do_zi_init ; 相同，则不拷贝该区间，初始化零数据区 MOV r2, r1 ； 不相同，将装载区拷贝到执行区 LDR r4, = |Image$$DRAM$$length| ADD r2, r2, r4 BL copy do_zi_init LDR r1, = |Image$$DRAM$$ZI$$Base| MOV r2, r1 LDR r4, = |Image$$DRAM$$ZI$$length| ADD r2, r2, r4 MOV r3, #0 BL zi_init ; 调用零初始化子程序 |
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4．结束语
本文介绍的启动程序已经在以Cirrus Logic公司的EP7211和Ateml公司的AT91M40400开发的系统上运行并测试通过。今后可以在这一基础上添加串行通信模块和FLASH操作模块，开发系统监控程序，从而实现应用程序的在线升级。 |
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