ARM開發(fā)經驗

前一段時間做了arm的一些開發(fā)，主要是編寫了arm的啟動軟件和移植了uCOS-II到arm7。我做事情喜歡深入簡出，及從最簡單，最原理的方面先做一個框架，然后在這個框架里面進行補充。我還是一個很喜歡和別人討論的人，希望有人可以給我提出意見和建議。我的這個心得很初級，都是一些基本的東西。現(xiàn)在拿出來和大家分享，希望在我畢業(yè)之前能給大家留一些紀念。 

由于這些東西發(fā)paper實在是沒有價值，但是我感覺可以作為arm開發(fā)的入門。由于我的水平和經驗有限，錯誤也是難免的。但是如果不拿出來和大家分享，就算有錯誤我也發(fā)現(xiàn)不了，是么？呵呵。我現(xiàn)試試發(fā)連載的第一篇，看看有多少價值，如果大家覺得有價值，我會繼續(xù)連載的。  

前言 
這個文檔是我學習ARM編程的總結和心得。閱讀這個文檔的人應當首先閱讀ADS1.2的幫助文檔及相關內容。這個文檔不會對編譯器及連接器做出詳細的說明，在需要的時候會指出具體內容在相關資料的章節(jié)。同時閱讀這個文檔的人需要了解ARM指令集和一些ARM匯編的基本內容以及C和C++的相關編程內容。同時還需要了解ARM的流水線結構及一些基本的編程知識。同時為了方便查閱英文文檔，所有的相關術語都使用英文原文。 

第一章 STARTUP1 ARM的啟動 
一般的嵌入式系統(tǒng)在主程序執(zhí)行之前都需要執(zhí)行一些初始化的過程以創(chuàng)造嵌入式程序運行的環(huán)境，尤其是一些高級的嵌入式系統(tǒng)，由于核心芯片使用內存映射、內存保護等機制以及編程使用高級語言C,C++甚至JAVA語言，都需要先創(chuàng)建一個適合程序運行的硬件環(huán)境，然后初始化或者配置或者剪裁run-time library, 這些工作都必須在主程序運行前完成，所以一個startup程序或者程序組對于一個嵌入式系統(tǒng)來說是非常重要的。要編寫startup程序，需要對編譯器、鏈接器和匯編器的細節(jié)有一定的了解，同時對ARM芯片硬件本身的地址分配以及memory mapping機制也需要有一些了解。 

2 ARM 程序的工作過程 
首先由各種source file經過編譯產生object文件，然后object文件經過鏈接生成Image文件，然后通過ICE的方法，根據描述文件的指定下載到目標板上的固態(tài)存儲器指定地址當中，比如flash，EEPROM, ROM等等。在程序執(zhí)行之前，根據某些描述文件，將需要讀寫數(shù)據的部分讀出放入動態(tài)存儲器比如RAM當中，然后程序從ROM開始執(zhí)行?；蛘哂袝r為了提高程序的運行速度，也可以將所有的程序(有一些root的部分除外，以后會提及)通過一個描述文件放入指定的RAM當中，然后程序從RAM開始執(zhí)行，但是這樣會耗費大量的動態(tài)存儲器，所以大部分程序會取折中的方法，將需要快速運行的部分和要讀寫的部分放入RAM中(一般讀固態(tài)存儲器的過程和動態(tài)存儲器的過程是一樣的，但是寫就不同了，所以讀寫的部分一定要放到RAM中)，而只讀的部分和對速度要求不是那么高的部分放入固態(tài)存儲器。同時ARM結構的異常向量表規(guī)定放在地址為0x00000000開始的地址空間上，而一般的CPU為了提高異常相應速度，會將這個向量段remap到其他的RAM當中，所以在描述文件當中必須精確指定異常向量跳轉程序的地址到remap的地方。在application程序執(zhí)行前，還需要由一些文件描述application程序執(zhí)行的環(huán)境。比如系統(tǒng)工作時鐘，總線頻率?，F(xiàn)在一般嵌入式編程語言為C,C++等。如果在使用它們的時候使用的runtime-library，那么在程序執(zhí)行前還需要為這些庫函數(shù)初始化heap。然后ARM可能工作在不同的模式，還需要為不同的工作模式設置stack。這樣，描述鏈接地址的文件，以及在application運行前所有的初始化程序就是startup程序組。 

3 STARTUP分類 
這樣，將startup程序所完成的功能分類。一類是鏈接地址描述，一類是各種初始化的程序。根據不同的應用，描述文件和初始化程序的內容以及結構和復雜程度都會不同。但是基本上，它們都必須實現(xiàn)以下功能。 

3.1 描述文件實現(xiàn)功能 

描述文件可以是鏈接命令行上簡單的幾個字符，也可以是一個非常復雜的文件，但是它必須完成如下功能： 

; 指定程序下載的地址 

; 指定程序執(zhí)行的地址 

3.2 初始化程序實現(xiàn)的功能 

初始化程序根據不同的應用，其結構和復雜度也不同，但是它必須完成如下基本功能： 

; 異常向量初始化 

; 內存環(huán)境初始化 

; 其他硬件環(huán)境初始化 

4 描述文件 
要編寫描述文件,必須知道ARM Image文件的組成及ARM Image文件執(zhí)行的機理。 

4.1 ARM Image的結構 

一個ARM Image structure由linker在以下幾個方面定義： 

 組成它的regions 和 output sections 

 當Image 下載的時候這些regions 和 sections 在內存中的位置 

 當Image 執(zhí)行時這些regions和sections在內存中的位置 

4.1.1 ARM Image的組成 

一個ARM Image被保存在可執(zhí)行文件當中,它的層次結構可以包括Image,regions,output sections和input sections。 

 一個Image由一個或多個regions組成,每個region包括一個或多個output sections 

 每個output section由一個或多個input sections組成 

 Input sections是一個object file中的code和data信息。 

Image的結構如下圖： 

1 附圖: 

NOTE Input section,output section和region的定義見ADS_LinkerGuide 3-3頁。 

同時Input section 有幾種屬性,分別為readonly,read-write,zero-initialized。分別稱為RO,RW和ZI。屬性來源于AREA后的attr屬性。 

比如CODE是RO,DATA是RW,NOINT默認為ZI,即用0值初始化,但是可以選擇不進行0值初始化。ZI屬性僅僅來源于SPACE, DCB, DCD, DCDU, DCQ, DCQU, DCW, 或者DCWU。由以上定義,ZI屬性的包含于RW屬性,它是有初始值的RW數(shù)據。又例如在C語言中,代碼為RO,靜態(tài)變量和全局變量是RW,ZI的。 


4.1.2 Image 的Load view 和 execution view 

在下載的時候Image regions被放置在memory map當中,而在執(zhí)行Image前,或許你需要將一些regions放置在它們執(zhí)行時的地址上,并建立起ZI regions。例如,你初始化的RW數(shù)據需要從它在下載時的在ROM中的地址處移動到執(zhí)行時RAM的地址處，附圖: 


NOTE Load view 和execution view的詳細定義見ADS_LinkerGuide 3-4。 

以上的描述包括二個內容,一是要指定各個section在load view和execution view時的地址即memory map,二是要在執(zhí)行前根據這些地址進行section的初始化。 

4.1.3制定Memory map 

制定memory map的方法基本上有二種,一是在link時使用命令行選項,并在程序執(zhí)行前利用linker pre-define symbol使用匯編語言制定section的段初始化,二是使用scatter file。以上二種方法依應用程序的復雜度而定,一針對簡單的情況,二針對復雜的情況。 

4.1.1.1 利用linker pre-define symbol使用匯編程序 

這是簡單的方法,針對簡單的memory map。在link時使用選項-ro, -rw, 等等指定memory map的地址。詳細說明參看ADS_LinkerGuide中命令行選項說明。然后利用匯編使用pre-define symbol,來進行各種段的定位。Linker pre-define定義如下： 


由前面對ZI的說明,Image$$RW$$Limit = Image$$ZI$$Limit。 


這些都是linker預先定義的外部變量,在使用的時候可以用IMPORT引入。下面給出一個例子。 

假設linker 選項為：-ro-base 0x40000000 -rw-base 0x40003000。程序和只讀變量(const 變量)大小為0x84,這樣RO section的大小為0x84 bytes。Data的大小為0x04 bytes,并且data被初始化,則RW section的大小為0x04,ZI section的大小為0x04。這樣程序在load view,地址是這樣的： 

0x40000000開始到地址0x40000080,是RO section部分（程序從0x40000000開始）,Image$$RO$$Limit = 0x40000084. 

0x40000084地址開始到地址0x40000084,是RW section部分。 

在execution view,由linker的選項,各個section的地址是這樣的： 

RO section的地址不變。 

RW section的起始地酚Φ蔽?x40003000,則Image$$RW$$Base = 0x40003000。 

因為全部的0x04 bytes data被初始化,所以Image$$RW$$Limit = Image$$ZI$$Limt = 0x40003004。 

現(xiàn)在要做的就是將RW section移到以0x40003000開始的地方,并且創(chuàng)造一個ZI section。 

一個更通用的做法是： 

首先比較Image$$RO$$Limit和mage$$RW$$Base,如果相等,說明execution view下RW section的地址和load view 下RW section的地址相同,這樣,不需要移動RW section;如果不等,說明需要移動RW section 到它在execution view中的地方。然后將Image$$ZI$$Base地址到Image$$ZI$$Limt地址的內容清零。 

示例代碼如下： 

;讀入linker pre-define symbols 

IMPORT Image$$RO$$Limit 

IMPORT Image$$RW$$Base 

IMPORT Image$$ZI$$Base 

IMPORT Image$$ZI$$Limit 

; .......一些其他的代碼或偽指令 

;R0讀入section load address 

LDR R0,= Image$$RO$$Limit 

;R1讀入section execution address 

LDR R1,= Image$$RW$$Base 

;R2讀入execution section 后的緊跟的word address 

LDR R2,= Image$$ZI$$Base 

;檢查RW section的地址在load view和execution view下 

;是否相等,如果相等,就不移動RW section,直接建立 

;ZI section 

CMP R0,R1 

BEQ do_zi_init 

;否則就copy RW section到execution view下指定的地址 

BL copy 

; ...... 

; ...... 

;copy 是一個用于copy的子函數(shù),它把從R0中的地址開始的 

;section copy到R1中的地址開始的section,這個section的 

;上限地址后緊跟的word address保存在R2中 

Copy 

CMP R1,R2 

LDRCC R3,[R0],#4 

STRCC R3,[R1],#4 

BCC copy 

MOV PC,LR 

; ...... 

; ...... 

;do_zi_int子函數(shù)是為創(chuàng)建ZI section做一些準備工作 

do_zi_int 

;將ZI section開始的地址裝入R1 

LDR R1,= Image$$ZI$$Base 

;將ZI section結束后緊跟的word address裝入R2 

LDR R2,= Image$$ZI$$Limit 

;將ZI section 需要的初始化量裝入R3 

MOV R3,#0 

BL zi_int 

; ...... 

; ...... 

;zi_int子函數(shù)用于建立并初始化ZI section,ZI section的 

;開始地址儲存在R1,ZI section結束后緊跟的word address 

;地址儲存在R2 

zi_int 

CMP R1,R2 

STRCC R3,[R1],#4 

BCC zi_int 

MOV PC,LR 

; ...... 

這個方法針對比較簡單的應用,如果需要進行一個比較復雜的memory map,如下圖,那么這個方法就不適用了。為了解決復雜memory map的問題需要用到scatter load 機制。