ARM嵌入式系统BSP的程序设计

ARM体系的嵌入式系统BSP的程序设计\o"ARM-Linux软件工程师—高级培训班"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（BoardSupportPackage）板级支持包介于主板\o"硬件设计"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\o"硬件设计"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\o""VxWorks的BSP和\o"嵌入式Linux驱动与内核开发－精品班"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\o"ARM-Linux软件工程师—高级培训班"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\o"硬件设计"硬件、软件和操作系统都要有一定的了解。

本文介绍基于\o"ARM-Linux软件工程师—高级培训班"ARM体系的\o"嵌入式开发培训课程"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\o"嵌入式开发培训课程"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。\o"嵌入式开发培训课程"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

\o"ARM-Linux软件工程师—高级培训班"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（Undef)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）

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，\o"ARM-Linux软件工程师—高级培训班"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\o"ARM-Linux软件工程师—高级培训班"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\o"ARM-Linux软件工程师—高级培训班"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）+0x1000000pagetable[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\o"ARM-Linux软件工程师—高级培训班"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：

@；SetupSVCstacktobe4Kontopofzero-initdata

LDRr1,=installStack

AD\o"DSPC5000系统开发—高级培训班"dsp,r1,#2048

@;SetupIRQandFIQstacks

MOVr0,#(Mode_IRQ32|I_Bit)

MSRcpsr,r0

MOVr0,r0

AD\o"DSPC5000系统开发—高级培训班"dsp,r1,#2048*2

MOVr0,#(Mode_FIQ32|I_Bit|F_Bit)

MSRcpsr,r0

MOVr0,r0

AD\o"DSPC5000系统开发—高级培训班"dsp,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);GPIOPORTAEnable

Register

_outw(0x800230A4,0x6060);GPIOPORTAMultiFunctionelect-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。

1．8呼叫主应用程序

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

2．1多种语言的混合编程

\o"ARM-Linux软件工程师—高级培训班"ARM有两种汇编指令集：16位THUMB指令集和32位\o"ARM-Linux软件工程师—高级培训班"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\o"ARM-Linux软件工程师—高级培训班"ARM32位指令集快，提高了代码密度。为了满足\o"ARM-Linux软件工程师—高级培训班"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。

\o"ARM-Linux软件工程师—高级培训班"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。因为某些操作是用C实现不了的。例如操作特殊寄存器的指令、CP15寄存器的指令、中断使能及堆栈地址的设定等。在汇编