基于ARM的嵌入式BSP的程序设计解析

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：
　　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）
　　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
　　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；
　　（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：
　　for=（i=1;i《0x1000;i++）{
　　pagetable［i］=（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）
　　pagetable［addr》》20］=addr|MMU_SECDESE|
　　MMU_CACHEABLE|MMU_BUFFERABLE;
　　//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）
　　pagetable［addr》》20］=（addr+0x1000000）|
　　MMU_SECDESC|MMU_CACHEABLE|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）+0x1000000
　　pagetable［0］=（0x42f00000）|MMU_SECDESC|MMU_CACHEABLE|MMU_BUFFERABLE;
　　//将SDRAM的虚拟地址0x42f00000映射到0处
　　1．5 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（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
　　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）
　　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。
　　1．6 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IRQ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） ;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，baud_data［cur_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）;
　　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。