基于ARM的硬件BOOT程序的基本设计

licheng521

实验三
一、实验目的
1.  掌握ARM启动的基本知识和流程
二、实验内容
1.  认真学习ARM启动的流程，单步执行程序，查看各寄存器的变化。
三、实验设备
EL-ARM-830教学实验箱，PentiumII以上的PC机。
PC操作系统WIN98或WIN2000或WINXP，ADS1.2集成开发环境。
四、实验步骤
本实验仅使用实验教学系统的CPU板。在进行本实验时，LCD电源开关、音频的左右声道开关、AD通道选择开关、触摸屏中断选择开关等均应处在关闭状态。
ARM的启动。该实验不是演示实验，是学习启动流程的实验
基于ARM芯片的应用系统，多数为复杂的片上系统，该复杂系统里，多数硬件模块都是可配置的，需要由软件来预先设置其需要的工作状态，因此在用户的应用程序之前，需要由专门的一段代码来完成对系统基本的初始化工作。由于此类代码直接面对处理器内核和硬件控制器进行编程，故一般均用汇编语言实现。系统的基本初始化内容一般包括：
1. 分配中断向量表
2. 初始化存储器系统
3. 初始化各工作模式的堆栈
4. 初始化有特殊要求的硬件模块
5. 初始化用户程序的执行环境
6. 切换处理器的工作模式
7. 呼叫主应用程序
ARM要求中断向量表必须放置在从0x00000000地址开始，连续32个字节的空间内。每当一个中断发生后，ARM处理器便强制把PC指针指向对应中断类型的向量表中的地址。因为每个中断只占据向量表中4个字节的存储空间，只能放置一条ARM指令，所以，通常放一条跳转指令让程序跳转到存储器的其他地方，再执行中断处理。
1.分配中断向量表
中断向量表的程序通常如下表示：
AREA  Init ,CODE, READONLY
ENTRY
B    ResetHandler
B    UndefHandler
B    SWIHandler
B    PreAbortHandler
B    DataAbortHandler
B．
B    IRQHandler
B    FIQHandler
其中关键字ENTRY是指定编译器保留这段代码，链接的时候要确保这段代码被链接在整个程序的入口地址，该地址也就是RO的连接地址。当ARM启动时，PC指针会自动寻找该关键字从该关键字处执行，该关键字的地址应满足4字节对齐的地址。
当中断控制器使能外设模块为向量中断时，如定时器向量中断，ADC向量中断，外部中断向量中断等等，外设中断向量表同理需要相应的跳转指令，以发生相应中断时从对应的中断向量表跳到存储器的某个地方，一般可选择让其跳到SDRAM的高端地址，然后，再跳入中断服务程序的地址，往下执行。
2. 初始化存储器系统
存储器类型,存储的容量以及时序配置、总线宽度等等。通常Flash和SRAM同属于静态存储器类型，可以合用同一个存储器端口；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。除存储器外，网络芯片的存储器相关配置，外接大容量的存储卡的配置均在此处实现。
存储器端口的接口时序优化是非常重要的，这会影响到整个系统的性能。因为一般系统运行的速度瓶颈都存在于存储器访问，所以存储器访问时序应尽可能的快；而同时又要考虑到由此带来的稳定性问题。
3. 初始化堆栈
因为ARM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。所以，对程序中需要用到的每一种模式都要给SP定义一个堆栈地址。方法是改变状态寄存器内的状态位，使处理器切换到不同的状态，然后给SP赋值。注意：不要切换到User模式进行User模式的堆栈设置，因为进入User模式后就不能再操作CPSR回到别的模式了，可能会对接下去的程序执行造成影响。

这是一段堆栈初始化的代码示例：
;// 预定义处理器模式常量
USERMODE     EQU                0x10
FIQMODE            EQU                        0x11
IRQMODE            EQU                        0x12
SVCMODE            EQU                        0x13
ABORTMODE   EQU                    0x17
UNDEFMODE   EQU                    0x1b
SYSMODE     EQU             0x1f
NOINT            EQU                        0xc0   // 屏蔽中断位
InitStacks
        mrs        r0,cpsr
        bic        r0,r0,#MODEMASK
        orr        r1,r0,#UNDEFMODE|NOINT
        msr        cpsr_cxsf,r1                                ;//未定义模式堆栈
        ldr        sp,=UndefStack
       
        orr        r1,r0,#ABORTMODE|NOINT
        msr        cpsr_cxsf,r1                                ;//终止模式堆栈
        ldr        sp,=AbortStack

        orr        r1,r0,#IRQMODE|NOINT
        msr        cpsr_cxsf,r1                                ;//中断模式堆栈
        ldr        sp,=IRQStack
   
        orr        r1,r0,#FIQMODE|NOINT
        msr        cpsr_cxsf,r1                                ;//快中断模式堆栈
        ldr        sp,=FIQStack

        bic        r0,r0,#MODEMASK|NOINT
        orr        r1,r0,#SVCMODE
       
        msr        cpsr_cxsf,r1                                ;//服务模式堆栈
        ldr        sp,=SVCStack
                                                                       
        mov        pc,lr
LTORG

4. 初始化有特殊要求的硬件模块
比如，时钟模块，看门狗模块等。
5. 初始化应用程序执行环境
映像一开始总是存储在ROM／Flash里面的，其RO部分即可以在ROM／Flash里面执行，也可以转移到速度更快的RAM中执行；而RW和ZI这两部分是必须转移到可写的RAM里去。所谓应用程序执行环境的初始化，就是完成必要的从ROM到RAM的数据传输和内容清零。

下面是在ADS下，一种常用存储器模型的直接实现：
LDR    r0,=|Image$$RO$$Limit|  得到RW数据源的起始地址
LDR    r1,=|Image$$RW$$Base|  RW区在RAM里的执行区起始地址
LDR    r3,=|Image$$ZI$$Base|   ZI区在RAM里面的起始地址
CMP    r0,r1                  比较它们是否相等
              BEQ    %F1
0   CMP    r1,r3
              LDRCC  r2,[r0],#4
              STRCC  r2,[r1],#4
              BCC    %B0
1   LDR    r1,=|Image$$ZI$$Limit|
                     MOV   r2,#0
2   CMP    r3,r1
              STRCC  r2,[r3],#4
              BCC    %B2
程序实现了RW数据的拷贝和ZI区域的清零功能。其中引用到的4个符号是由链接器输出的。
|Image$$RO$$Limit|：表示RO区末地址后面的地址，即RW数据源的起始地址
|Image$$RW$$Base|：RW区在RAM里的执行区起始地址，也就是编译器选项RW_Base指定的地址
|Image$$ZI$$Base|：ZI区在RAM里面的起始地址
|Image$$ZI$$Limit|：ZI区在RAM里面的结束地址后面的一个地址

程序先把ROM中|Image$$RO$$Limt|的地址开始的RW初始数据拷贝到RAM里面|Image$$RW$$Base|开始的地址，当RAM这边的目标地址到达|Image$$ZI$$Base|后就表示RW区的结束和ZI区的开始，接下去就对这片ZI区进行清零操作，直到遇到结束地址|Image$$ZI$$Limit|
详细请参阅ADS1.2的PDF文件夹内ADS_LINKERGUIDE_A.PDF文档。
6. 改变处理器模式
因为在初始化过程中，许多操作需要在特权模式下才能进行（比如对CPSR的修改），所以要特别注意不能过早的进入用户模式。
内核级的中断使能也可以考虑在这一步进行。如果系统中另外存在一个专门的中断控制器，比如三星的S3C2410，这么做总是安全的。
7. 呼叫主应用程序
当所有的系统初始化工作完成之后，就需要把程序流程转入主应用程序。最简单的一种情况是：
IMPORT Main
B      Main
直接从启动代码跳转到应用程序的主函数入口，当然主函数名字可以由用户随便定义。
               
在ARM ADS环境中，还另外提供了一套系统级的呼叫机制。
IMPORT __main
                B     __main
__main()是编译系统提供的一个函数，负责完成库函数的初始化和初始化应用程序执行环境，最后自动跳转到main()函数。但这要进一步设置一些参数，使用起来较复杂，随着对ARM的进一步的应用，可以以后使用该种方式。
可以单步执行工程文件, 认真学习代码的注释,观察各存储器的变化。建议用实验程序\HARDWARE\ADS\实验四\boot.mcp在ADS的开发环境的AXD Debugger中运行,运行之前，首先配置options\configure target\ARMUL，选ARMUL是使用软件仿真。
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