ARM嵌入式系统BSP的程序设计

1、ARM体系的嵌入式系统BSP的程序设计ARM公司在32位RISC的CPU开发领域不断取得突破，其结构已经从V3发展到V6。     BSP（Board Support Package）板级支持包介于主板硬件和操作系统之间，其功能与PC机上的BIOS相类似，主要完成硬件初始化并切换到相应的操作系统。BSP是相对于操作系统而言的，不同的操作系统对应于不同定义形式的BSP，例如VxWorks的BSP和Linux的BSP相对于某一CPU来说，尽管实现的功能一样，可是写法和接口定义是完全不同的。另外，仔细研究所用的芯片资料也十分重要，例如尽管ARM在内核上兼容，但

2、每家芯片都有自己的特色。所以这就要求BSP程序员对硬件、软件和操作系统都要有一定的了解。     本文介绍基于ARM体系的嵌入式应用系统初始化部分BSP的程序设计。本文引用的源码全部是基于HMS320C7202芯片设计，并已成功运行。 1 初始化过程     尽管各种嵌入式应用系统的结构及功能差别很大，但其系统初始化部分完成的操作有很大一部分是相似的。嵌入式系统的启动流程如图1所示。     1.1 设置入口指针     启动程序首先必

3、须定义指针，而且整个应用程序只有一个入口指针。一般地，程序在编译链接时将异常中断向量表链接在0地址处，并且作为整个程序入口点。入口点代码如下：     ENTRY（_start） ；开始     1.2 设置异常中断向量表     ARM要求中断向量表必须放置在从0开始、连续8×4字节的空间内。各异常中断向量地址以及中断的算是优先级如表1： 中断向量地址异常中断类型异常中断模式优先级（6最低）0x0复位特权模式（SVC）10x4未定义中断未定义指令中止模式（Unde

4、f)60x8软件中断（SWI）特权模式（SVC）60x0c指令预取中止中止模式50x10数据访问中止中止模式20x14保留未使用未使用0x18外部中断请求（IRQ）外部中断（IRQ）模式40x1c快速中断请求（FIQ）快速中断（FIQ）模式3            表1 各异常中断的中断向量地址以及中断的处理优先级     中断向量地址 异常中断类型 异常中断模式 优先级（6最低）    

5、; 0x0 复位 特权模式（SVC） 1     0x4 未定义中断 未定义指令中止模式（Undef) 6     0x8 软件中断（SWI） 特权模式（SVC） 6     0x0c 指令预取中止 中止模式 5     0x10 数据访问中止 中止模式 2     0x14 保留 未使用 未使用   

6、60; 0x18 外部中断请求（IRQ） 外部中断（IRQ）模式 4     0x1c 快速中断请求（FIQ） 快速中断（FIQ）模式 3     每当一个中断发生后，ARM处理器便强制把程序计数器（PC）指针置为向量表中对应中断类型的地址值。因为每个中断向量仅占据放置1条ARM指令的空间，所以通常放置1条跳转指令或向程序计数器（PC）寄存器赋值的数据访问指令，使程序跳转到相应的异常中断处理程序执行。如果异常中断处理程序起始地址小于32MB，使用B跳转指令；如果跳转范围大于32MB，使

7、用LDR指令。     另外，对于各未用中断，可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。     1.3 初始化存储系统     初始化存储系统的编程对象是系统的存储器控制器，一个系统可能存在多种存储器类型的接口，不同的存储系统的设计不尽相同。Flash和SRAM同属于静态存储器类型，可以合用一个存储器端口；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。其中，SDRAM必须在初始化阶段进行设置，因为

8、大部分的程序代码和数据都要在SDRAM中运行。     在HMS30C7202中，与SDRAM配置有关的寄存器有4个：配置寄存器、刷新定时寄存器、写缓冲写回寄存器和等待驱动寄存器，需要根据实际的系统设计对此分别加以正确配置。     SDRAM的初始化过程如下：加电延迟10ms（各具体SDRAM器件延时时间可能不同）设置配置寄存器参数延时写刷新定时寄存器，设置刷新周期延时使能自动刷新延时设置模式寄存器（位于SDRAM内部）。     1.4 存储

9、器地址分布重映射（remap）和MMU     系统一上电，程序将自动从0地址处开始执行。因此，必须保证在0地址处存在正确的代码，即要求0地址开始入是非易失性的ROM或Flash等。但是因为ROM或Flash的访问速度相对较慢，每次中断响应发生后，都要从读取ROM或Flash上面的向量表开始，影响了中断响应速度。一般程序执行后将SDRAM映射为地址0，并把系统程序加载到SDRAM中运行，其具体步骤可以采用以下的方案：     （1）上电后，从0地址的ROM开始往下执行；  &

10、#160;  （2）根据映射前的地址，对SDRAM进行必要的代码和数据拷贝；     （3）拷贝完成后，进行重映射操作；     （4）因为RAM在重映射前准备好了内容，使得PC指针能继续在RAM里取得正确的指令。     在这种地址映射的变化过程中，程序员需要仔细考虑的是：程序的执行流程不能被这种变化所打断，注意保证程序流程在重映射前后的承接关系。     存储器的地址分配是

11、很灵活的，可以将I/O操作映射成内存操作，也可以通过映射对某些不可访问的地址空间进行保护等。进行存储器初始化设计时，一定要根据应用程序的具体要求来完成地址分配。对地址管理通过MMU即存储器管理单元实现。     在ARM系统中，MMU通过页式虚拟存储管理，将虚拟空间和物理空间分别分成一个个固定大小的页，并建立两者之间的映射关系，从而实现虚拟地址到物理地址的转换。MMU还可完成存储器访问权限的控制和虚拟存储器空间缓冲特性的设置。     以下是实现MMU的部分代码：  

12、0;  for=(i=1;i<0x1000;i+)pagetablei=(i<<20)|MMU_SECDESC; /建立页表，每页大小为1MB，页表偏移序号是物理地址的高12位；     for(addr=SDRAM_BASE;addr<(SDRAM_BASE+SDRAM_SIZE/2);addr+=SIZE_1M)     pagetableaddr>>20=addr|MMU_SECDESE|MMU_CACHEABLE|MMU_BUFFE

13、RABLE;     /将SDRAM_BASE至（SDRAM_BASE+SDRAM_SIZE/2）空间的设置为不可CACHE和不可BUFFER的for    (addr=SDRAM_BASE+SDRAM_SIZE/2;addr<    (SDRAM_BASE+SDRAM_SIZE);addr+=SIZE_1M)     pagetableaddr>>20=(addr+0x1000000)|MMU_SECDESC|MMU_CACH

14、EABLE|MMU_BUFFERABLE;     /将这段空间的地址映射关系设置为VA（虚拟地址）=PA（物理地址）+0x1000000pagetable0=(0x42f00000)|MMU_SECDESC|MMU_CACHEABLE|MMU_BUFFERABLE;     /将SDRAM的虚拟地址0x42f00000映射到0处     15 初始化各模式下的堆栈指针     因为ARM处理器有7种执行状态，每一种状态的堆栈指针寄存器

15、（SP）都是独立的（System和User三项式使用相同SP寄存器）。因此，对程序中需要用到的每一种模式都要给SP寄存器定义一个堆栈地址。方法是改变状态寄存器（CPSR）内的状态位，使处理器切换到不同的状态，然后给SP赋值。这里列出的代码定义了三种模式的SP指针，其中，I_Bit表示IRQ的中断禁止位；F_Bit表示FIQ的中断禁止位：     ；Set up SVC stack to be 4K on top of zero-init data     LDR r1,=installStack 

16、0;   ADdsp,r1,#2048     ;Set up IRQ and FIQ stacks     MOV r0,#(Mode_IRQ32|I_Bit)     MSRcpsr,r0     MOV r0,r0     ADdsp,r1,#2048*2     MOV r0,#(Mode_FIQ32|I_Bit |F_Bit)&

17、#160;    MSR cpsr,r0     MOV r0,r0     ADdsp,r1,#2048*3     一般堆栈的大小要根据需要而定，但是要尽可能给堆栈分配快速和高带宽的存储器。堆栈性能的提高对系统性能的影响是非常明显的。     16 初始化有特殊要求的端口、设备     有些关键的I/O部件必须在使能IRQ和FIQ之前进行初始化。因为如果在使能IR

18、Q和FIQ之前没有进行初始化，可以产生假的异常中断信号。程序中初始化了HMS30C7202的串口1用来调试程序与其它设备通信。串口1是一个通用全双工异步接收/发送器（UART），它支持16C550的大部分功能。UART有接收缓冲/发送保持寄存器、波特率除数锁存器、中断允许寄存器等9个寄存器。对串口1的初始化主要是对各寄存器的设置，其实现代码如下所示：     _outb(ser_base+0x30,1);         _outw(0x8002301c,0xffff9f9f

19、) ;GPIO PORT A Enable     Register     _outw(0x800230A4,0x6060) ;GPIO PORT A MultiFunction elect-Register     serial_outb(SERIAL_LCR,0x80);     serial_outb(SERIAL_LCR,0x80);     serial_outb(SERIAL_DLL

20、,baud_datacur_baud);     serial_outb(SERIAL_DLM,0x0);     serial_outb(SERIAL_LCR,0x03);     seial_outb(SERIAL_FCR,0x01);     serial_outb(SERIAL_IER,0x00);     serial_outb(SERIAL_MCR,0x03);  

21、   1.7 切换处理器模式，开中断     最后转换到应用程序运行所需的最终模式，一般是User模式。不要过早切换到User模式进行User模式的堆栈设备。因为进入User模式后就不能再操作CPRS回到别的模式了，可能会对接下去的程序执行造成影响。     这时才使能异常中断，通过清除CPRS寄存器中的中断禁止位实现。如果过早地开中断，在系统初始化之前就触发了有效中断，会导致系统的死机。     18 呼叫主应用程序   &

22、#160; 当所有的系统初始化工作完成后，就需要把程序流程转入主应用程序。     2 技术难点分析     21 多种语言的混合编程     ARM有两种汇编指令集：16位THUMB指令集和32位ARM指令集。使用16位的寄存器可以降低成本，而且16位THUMB指令集整体执行速度比ARM 32位指令集快，提高了代码密度。为了满足ARM子程序和Thumb子程序互相调用，必须保证编写的代码遵循ATPCS。ATPCS规定了子程序调用的基本规则。     ARM系统结构也支持C、C+以及汇编语言的混合编程。汇编语言和C/C+语言的混合编程，在一个追求效率的程序中比较常见。许多人认为像BSP这样底层的程序应该用纯汇编语言编写，其实不然。用汇编语言编写的程序可读性不高，而且不宜维护，不便于向其它类型的CPU移植，而这些方面却是C语言程序的优势。BSP能否用纯C语言去写呢？也不行。因为