轉(zhuǎn)的--ARM及BootLoader

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ARM簡(jiǎn)介及BootLoader介紹
黃大榮 2006-09-29
ARM基本常識(shí)（1）
    目前嵌入式處理器常見(jiàn)的有ARM、PowerPC、MIPS、Motorola 68K、ColdFire(冷火)等，但ARM占據(jù)了絕對(duì)主流（有資料說(shuō)手機(jī)中幾乎90%都是ARM處理器）。ARM是一個(gè)只賣(mài)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的公司，目前獲得購(gòu)買(mǎi)了ARM CPU核授權(quán)許可的大公司很多，包括Intel、Samsung、Amstel、Motorola、Philip等，他們都在ARM CPU核的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些外圍擴(kuò)展，形成自己的處理器。
    ARM（Advanced RISC Machines），既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。
ARM基本常識(shí)（2）
    1991年ARM公司成立于英國(guó)劍橋，主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）核的微處理器，即我們通常所說(shuō)的ARM微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無(wú)線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)，基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75％以上的市場(chǎng)份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面。
    ARM公司是專門(mén)從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的公司，作為知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購(gòu)買(mǎi)ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬�電路，從而形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)。全世界有幾十家大的半導(dǎo)體公司都使用ARM公司的授權(quán)，因此既使得ARM技術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個(gè)系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場(chǎng)被消費(fèi)者所接受，更具有競(jìng)爭(zhēng)力。
ARM處理器狀態(tài)（1）
    ARM微處理器的工作狀態(tài)一般有兩種，并可在兩種狀態(tài)之間切換：
第一種為ARM狀態(tài)，此時(shí)處理器執(zhí)行32位的字對(duì)齊的ARM指令；
第二種為T(mén)humb狀態(tài)，此時(shí)處理器執(zhí)行16位的、半字對(duì)齊的Thumb指令。
在程序的執(zhí)行過(guò)程中，微處理器可以隨時(shí)在兩種工作狀態(tài)之間切換，并且，處理器工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變并不影響處理器的工作模式和相應(yīng)寄存器中的內(nèi)容。但ARM微處理器在開(kāi)始執(zhí)行代碼時(shí)，應(yīng)該處于ARM狀態(tài)。  
ARM處理器狀態(tài)（2）
    進(jìn)入Thumb狀態(tài)：當(dāng)操作數(shù)寄存器的狀態(tài)位（位0）為1時(shí)，可以采用執(zhí)行BX指令的方法，使微處理器從ARM狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)。此外，當(dāng)處理器處于Thumb狀態(tài)時(shí)發(fā)生異常（如IRQ、FIQ、Undef、Abort、SWI等），則異常處理返回時(shí)，自動(dòng)切換到Thumb狀態(tài)。
    進(jìn)入ARM狀態(tài)：當(dāng)操作數(shù)寄存器的狀態(tài)位為0時(shí)，執(zhí)行BX指令時(shí)可以使微處理器從Thumb狀態(tài)切換到ARM狀態(tài)。此外，在處理器進(jìn)行異常處理時(shí)，把PC指針?lè)湃氘惓ＤＪ芥溄蛹拇嫫髦�，并從異常向量地址開(kāi)始執(zhí)行程序，也可以使處理器切換到ARM狀態(tài)。
ARM處理器模式（1）
    ARM微處理器支持7種運(yùn)行模式，分別為：
用戶模式(usr)：ARM處理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài)。
快速中斷模式(fiq)：用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理。
外部中斷模式(irq)：用于通用的中斷處理。
管理模式(svc)：操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式。
數(shù)據(jù)訪問(wèn)終止模式(abt)：當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時(shí)進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)。
系統(tǒng)模式(sys)：運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)。
定義指令中止模式(und)：當(dāng)未定義的指令執(zhí)行時(shí)進(jìn)入該模式，可用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真。
ARM處理器模式（2）
    ARM微處理器的運(yùn)行模式可以通過(guò)軟件改變，也可以通過(guò)外部中斷或異常處理改變。大多數(shù)的應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶模式下，當(dāng)處理器運(yùn)行在用戶模式下時(shí)，某些被保護(hù)的系統(tǒng)資源是不能被訪問(wèn)的。
    除用戶模式以外，其余的所有6種模式稱之為非用戶模式，或特權(quán)模式；其中除去用戶模式和系統(tǒng)模式以外的5種又稱為異常模式，常用于處理中斷或異常，以及需要訪問(wèn)受保護(hù)的系統(tǒng)資源等情況。
ARM寄存器
    ARM處理器共有37個(gè)寄存器。其中包括：31個(gè)通用寄存器，包括程序計(jì)數(shù)器(PC)在內(nèi)。這些寄存器都是32位寄存器。以及6個(gè)32位狀態(tài)寄存器。
關(guān)于寄存器這里就不詳細(xì)介紹了，有興趣的人可以上網(wǎng)找找，很多這方面的資料。
異常處理
    當(dāng)正常的程序執(zhí)行流程發(fā)生暫時(shí)的停止時(shí)，稱之為異常，例如處理一個(gè)外部的中斷請(qǐng)求。在處理異常之前，當(dāng)前處理器的狀態(tài)必須保留，這樣當(dāng)異常處理完成之后，當(dāng)前程序可以繼續(xù)執(zhí)行。處理器允許多個(gè)異常同時(shí)發(fā)生，它們將會(huì)按固定的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行處理。當(dāng)一個(gè)異常出現(xiàn)以后，ARM微處理器會(huì)執(zhí)行以下幾步操作：
進(jìn)入異常處理的基本步驟：
將下一條指令的地址存入相應(yīng)連接寄存器LR，以便程序在處理異常返回時(shí)能從正確的位置重新開(kāi)始執(zhí)行。將CPSR復(fù)制到相應(yīng)的SPSR中。
根據(jù)異常類型，強(qiáng)制設(shè)置CPSR的運(yùn)行模式位。
強(qiáng)制PC從相關(guān)的異常向量地址取下一條指令執(zhí)行，從而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常處理程序處。
如果異常發(fā)生時(shí)，處理器處于Thumb狀態(tài)，則當(dāng)異常向量地址加載入PC時(shí)，處理器自動(dòng)切換到ARM狀態(tài)。
ARM微處理器對(duì)異常的響應(yīng)過(guò)程用偽碼可以描述為：
R14_ = Return Link
SPSR_= CPSR
CPSR[4:0] = Exception Mode Number
CPSR[5] = 0 ；當(dāng)運(yùn)行于 ARM 工作狀態(tài)時(shí)
If == Reset or FIQ then；當(dāng)響應(yīng) FIQ 異常時(shí)，禁止新的 FIQ 異常
CPSR[6] = 1
PSR[7] = 1
PC = Exception Vector Address
異常處理完畢之后，ARM微處理器會(huì)執(zhí)行以下幾步操作從異常返回：
將連接寄存器LR的值減去相應(yīng)的偏移量后送到PC中。
將SPSR復(fù)制回CPSR中。
若在進(jìn)入異常處理時(shí)設(shè)置了中斷禁止位，要在此清除。
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BootLoader簡(jiǎn)介
    簡(jiǎn)單地說(shuō)，Boot Loader 就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過(guò)這段小程序，我們可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。
    Boot Loader 是嚴(yán)重地依賴于硬件而實(shí)現(xiàn)的，特別是在嵌入式世界。因此，在嵌入式世界里建立一個(gè)通用的 Boot Loader 幾乎是不可能的。盡管如此，我們?nèi)匀豢梢詫?duì) Boot Loader 歸納出一些通用的概念來(lái)，以指導(dǎo)用戶特定的 Boot Loader 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
   
    基于 ARM7TDMI core 的 CPU 在復(fù)位時(shí)通常都從地址 0x00000000 取它的第一條指令。在系統(tǒng)加電后，CPU 將首先執(zhí)行 Boot Loader 程序。
大多數(shù) Boot Loader 都包含兩種不同的操作模式：“啟動(dòng)加載”模式和“下載”模式 ：
啟動(dòng)加載（Boot loading）模式：Boot Loader 從目標(biāo)機(jī)上的某個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到 RAM 中運(yùn)行，整個(gè)過(guò)程并沒(méi)有用戶的介入。
下載（Downloading）模式：Boot Loader 將通過(guò)串口連接或網(wǎng)絡(luò)連接等通信手段從主機(jī)（Host）下載文件，比如：下載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像等。
BOOT的一般步驟為：
        設(shè)置中斷向量表
        初始化存儲(chǔ)設(shè)備
        初始化堆棧
        初始化用戶執(zhí)行環(huán)境
        呼叫主應(yīng)用程序
設(shè)置中斷向量表
    ARM要求中斷向量表必須放置在從0地址開(kāi)始，連續(xù)8X4字節(jié)的空間內(nèi)。
每當(dāng)一個(gè)中斷發(fā)生以后，ARM處理器便強(qiáng)制把PC指針置為向量表中對(duì)應(yīng)中斷類型的地址值。因?yàn)槊總�(gè)中斷只占據(jù)向量表中1個(gè)字的存儲(chǔ)空間，只能放置一條ARM指令，使程序跳轉(zhuǎn)到存儲(chǔ)器的其他地方，再執(zhí)行中斷處理。
中斷向量表的程序?qū)崿F(xiàn)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
其中關(guān)鍵字ENTRY是指定編譯器保留這段代碼，因?yàn)榫幾g器可能會(huì)認(rèn)為這是一段亢余代碼而加以優(yōu)化。鏈接的時(shí)候要確保這段代碼被鏈接在0地址處，并且作為整個(gè)程序的入口。?
初始化存儲(chǔ)設(shè)備
    存儲(chǔ)器端口的接口時(shí)序優(yōu)化是非常重要的，這會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。因?yàn)橐话阆到y(tǒng)運(yùn)行的速度瓶頸都存在于存儲(chǔ)器訪問(wèn)，所以存儲(chǔ)器訪問(wèn)時(shí)序應(yīng)盡可能的快；而同時(shí)又要考慮到由此帶來(lái)的穩(wěn)定性問(wèn)題。
在不同的板子上處理芯片、存儲(chǔ)設(shè)備以及其接口差異很大，應(yīng)根據(jù)不同的情況來(lái)配置。
初始化堆棧
    因?yàn)锳RM有7種執(zhí)行狀態(tài)，每一種狀態(tài)的堆棧指針寄存器（SP）都是獨(dú)立的。因此，對(duì)程序中需要用到的每一種模式都要給SP定義一個(gè)堆棧地址。方法是改變狀態(tài)寄存器內(nèi)的狀態(tài)位，使處理器切換到不同的狀態(tài)，然后給SP賦值。注意：不要切換到User模式進(jìn)行User模式的堆棧設(shè)置，因?yàn)檫M(jìn)入U(xiǎn)ser模式后就不能再操作CPSR回到別的模式了，可能會(huì)對(duì)接下去的程序執(zhí)行造成影響。
   這是一段堆棧初始化的代碼示例：
mrs     r0,cpsr  ；讀取cpsr寄存器的值
bic     r0,r0,#MODEMASK ；把模式位清零
orr     r1,r0,#UNDEFMODE|NOINT
msr     cpsr_cxsf,r1  ;UndefMode
ldr     sp,=UndefStack
其他模式的堆棧的初始化也類似。
堆棧地址的定義一般如下：
^ (_ISR_STARTADDRESS-0x1400)
   
UserStack # 1024 ;#=field,定義一個(gè)數(shù)據(jù)域，長(zhǎng)度為1024
SVCStack # 1024
UndefStack # 1024
AbortStack # 1024
IRQStack # 1024
FIQStack # 0
初始化用戶執(zhí)行環(huán)境
    一個(gè)ARM映像文件由RO，RW和ZI三個(gè)段組成，其中RO為代碼段，RW是已初始化的全局變量，ZI是未初始化的全局變量。
映像一開(kāi)始總是存儲(chǔ)在ROM／Flash里面的，其RO部分即可以在ROM／Flash里面執(zhí)行，也可以轉(zhuǎn)移到速度更快的RAM中執(zhí)行；而RW和ZI這兩部分是必須轉(zhuǎn)移到可寫(xiě)的RAM里去。所謂應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境的初始化，就是完成必要的從ROM到RAM的數(shù)據(jù)傳輸和內(nèi)容清零。
   
    編譯器使用下列符號(hào)來(lái)記錄各段的起始和結(jié)束地址：
|Image$$RO$$Base| ：RO段起始地址
|Image$$RO$$Limit| ：RO段結(jié)束地址加1
|Image$$RW$$Base| ：RW段起始地址
|Image$$RW$$Limit| ：ZI段結(jié)束地址加1
|Image$$ZI$$Base| ：ZI段起始地址
|Image$$ZI$$Limit| ：ZI段結(jié)束地址加1
這些標(biāo)號(hào)的值是根據(jù)鏈接器中設(shè)置的中ro-base和rw-base的設(shè)置來(lái)計(jì)算的。
    初始化用戶執(zhí)行環(huán)境主要是把RO、RW、ZI三段拷貝到指定的位置。
呼叫主應(yīng)用程序
    當(dāng)所有的系統(tǒng)初始化工作完成之后，就需要把程序流程轉(zhuǎn)入主應(yīng)用程序。最簡(jiǎn)單的一種情況是：
IMPORT main
B????? main
直接從啟動(dòng)代碼跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序的主函數(shù)入口，當(dāng)然主函數(shù)名字可以由用戶隨便定義。
以上介紹的都只是相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的概要，如果需要詳細(xì)了解請(qǐng)上網(wǎng)查詢。Thanks


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