深入理解ARM嵌入式系统引导过程—基于AT91SAM9261微处理器和RealView工具链
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Understanding the Boot Process of ARM Embedded System – Based on the AT91SAM9261 Micro Processor and RealView Toolchain
对于不带操作系统的ARM嵌入式应用程序来说，可以这样理解引导过程，它始于系统上电后，终于main函数。虽然不同的应用程序的引导细节各不相同，但是总的来说主要包括初始化关键外围设备、执行存储器重映射和安排存储器布局等。本文首先介绍了一些关键的概念，然后从系统上电执行的第一条指令开始，详细阐述了ARM嵌入式系统整个引导过程。本文中的示例程序运行的主板以Atmel公司AT91SAM9261-EK评估板为原型，扩展了一个片选NCS0，地址为0x10000000，大小为4M字节的NorFlash，同时将BMS引脚接地，这样系统上电后自扩展的片外NorFlash引导。集成开发环境为Keil公司的μVision3.62c，配置使用RealView工具链。
1 关键概念
1.1 存储器映射
对于任意类型的存储器，必须首先为它分配一个地址空间才能对其进行访问，这样就在地址空间和存储器之间建立了某种对应关系，称为存储器映射。不管是微处理器内置的片内存储器，还是扩展的外部存储器，在电路板制作完成之后，它的存储器映射也就自然的固定下来，这个特定的地址空间也称为它的固有地址空间。例如对于AT91SAM9261来说，地址空间0x30,0000-0x40,0000映射到片内SRAM，即片内SRAM的固有地址空间为0x30,0000-0x40,0000。
1.2 存储器重映射
对于ARM处理器来说，为了获得多种引导选项或者提高性能，某个特定的地址空间可以映射到不同的存储器，或者反过来一个存储器可以对应多个地址空间，这种现象称之为存储器重映射。例如AT91SAM9261没有为地址空间0x0-0xF,FFFF安排固有存储器映射，根据上电时BMS引脚的状态，或者通过编程MATRIX_MCFG寄存器可以将不同的存储器映射到0x0-0xF,FFFF，如图1所示，也正是由于这个原因这段地址空间又称为引导存储器，或者重映射区域。在本文中，BMS引脚接地，系统上电后，NorFlash重映射到0x0，此时除了可以通过它的固有存储器映射0x1000,0000访问它，还可以通过它的重映射地址0x0访问它。如果之后将片内SRAM重映射到地址0x0，此时再访问地址0x0，那么实际访问的是片内SRAM。
图1 重映射
总之，从地址空间的角度看，这个特殊的重映射区域对应的存储器映射具有多重性和临时性，但是在任意时刻它的存储器映射具有唯一性。除了这个特殊的重映射区域，其它地址空间和存储器之间是一一对应的。反之从存储器的角度看，无论何时总是可以通过它的固有地址空间访问它，但是只有当满足某些条件时才能从重映射区域访问它。
2 存储器布局
RealView工具链利用分散加载机制创建复杂的映像文件。分散加载文件能够精确的描述映像中每个区的加载和执行视图。加载视图描述映像开始执行前的存储器布局，执行视图描述映像执行时存储器布局。分散加载文件可以描述的最小单元，对于汇编语言来说为一个.s文件中的AREA，例如board_cstartup_keil.s中的cstartup和VECTOR；对于C语言来说为一个.c文件，例如board_lowlevel.c和board_memories.c。
本文使用的分散加载文件norflash.sct如下所示。从中可以看出：这里只有一个名字为Load_region的加载区，即映像文件存储在地址为0x10000000的NorFlash中；执行区一共有四个，分别为Fixed_region（包含cstartup区域和大部分具有RO属性的节），Relocate_region（包含异常向量、板级初始化代码编译后生成的对象文件以及属性为RW和ZI的节），ARM_LIB_HEAP（堆区）和ARM_LIB_STACK（自片内SRAM顶部开始向下增长的堆栈区）。
Load_region 0x10000000 0x400000 {
Fixed_region 0x10000000 {
*(cstartup +First)
.ANY (+RO)
}
Relocate_region 0x300000 0x28000 {
*.o (VECTOR, +First)
board_lowlevel.o (+RO)
board_memories.o (+RO)
.ANY (+RW +ZI)
}
ARM_LIB_HEAP 0x326000 EMPTY 0x1000 {
}
ARM_LIB_STACK 0x328000 EMPTY -0x1000 {
}
}
3 系统初始化
3.1 第一条指令
ARM核总是从地址0x0取出第一条指令开始引导过程。在本文中映像文件烧写到NorFlash中，为了从NorFlash引导，BMS引脚接地，这样复位时，NorFlash重映射到地址0x0。cstartup区域部分代码如下所示：
AREA cstartup, CODE
ENTRY
resetHandler
; The first instruction Set pc to actual code location (i.e. not in remap zone)
LDR pc, =label
label
LDR r0, = |Image$$ARM_LIB_STACK$$ZI$$Limit|
MOV sp, r0
; other codes
由于cstartup区域定位于NorFlash的起始位置，因此执行的第一条指令是LDR pc, =label。这是一条伪指令，汇编器将label的值放在一个文字池（literal pool）中，并生成一个相对PC寻址的LDR指令从文字池中装载该值。这可以从IDA-The Interactive Disassembler反汇编生成的.axf文件的输出得到确认：
0x10000000 ldr pc, [pc, #0x34] ;34 F0 9F E5
…
0x1000003C DCD 0x10000004
可以看到label的值等于0x10000004，它存储在地址0x1000003C处。首条指令的编码为34 F0 9F E5，即ldr pc, [pc, #0x34]，执行此指令后，PC=PC+0x8+0x34=PC+0x3C，取出当前指令地址偏移0x3C处的值（即0x10000004），赋给PC寄存器，也就是跳转到绝对地址0x10000004处继续执行。其后的两条汇编语句设置临时堆栈，为调用C语言编写的函数LowLevelInit做准备。
3.2 关键外围设备
系统引导时必须首先初始化一些关键的外围设备，例如晶振和锁相环，高级中断控制器，看门狗等，它们都是在LowLevelInit函数中完成的。由于不同的应用程序的外设初始化代码相差较大，因此此处不做详细说明。
3.3 重映射异常向量和异常处理器
所有的ARM系统在地址0x0都有一个向量表。向量表虽然不是初始化序列的一部分，但是必须存在，它是转到各个异常处理器的跳转指令表。当发生异常时（例如，数据中止，未定义指令，IRQ等），ARM核立即取出位于地址0x0和0x1C之间的8条指令中的一条，并执行它。如果程序不需要处理这个异常，那么可以放置一个无限循环，例如：
undefVector
b undefVector
如果必须处理这个异常，例如复位异常，那么可以放置一个相对PC的跳转指令，例如：
LDR pc, =resetHandler
很明显，当前的存储器布局不能满足这种要求，因为地址0x0-0xF,FFFF此时映射到NorFlash，而NorFlash的起始位置存储的是cstartup区域，而不是异常向量。为了满足ARM核对异常向量的位置要求，引导过程的下一步就是将片内SRAM重映射到0x0-0xF,FFFF，这是通过调用BOARD_RemapRam函数完成的。注意，此时异常向量并未真正就绪，只有当随后使用分散加载机制将VECTOR区域从加载区拷贝到片内SRAM的起始处后，才能访问异常向量。
最后调用BOARD_ConfigureNorFlash函数配置外部总线接口片选0（EBI CS0），因为默认配置参数并不是最优的，所以需要根据存储器特性进行重新配置。
3.4 设置各种模式的堆栈
ARM处理器的堆栈主要有两个特点，其一每种模式都有自己的堆栈指针SP，其二堆栈是递减的。设置方法是依次进入各种模式，赋给SP正确的值。一般Supervisor和User模式的堆栈最大，IRQ和FIQ模式次之，其它模式经常只需要几个字节。在本文中，首先设置IRQ模式堆栈设置到片内SRAM顶部，然后设置Supervisor模式的堆栈，同时使能IRQ和FIQ。
3.5 从加载视图到执行视图
链接器生成可执行映像的同时也定义了映像中各个符合的绝对地址，只有将它们移动到对应的地址，应用程序才能正常运行。以可读写的RW节为例，如果在改写它的值之前，没有将其从Flash存储器移动到可读写的RAM存储器，那么必然会发生异常。
ARM库中的__main例程负责将加载视图转变为执行视图，最后调用C语言编写的main函数。__main例程的主要功能有三个：拷贝需要移动的区、零初始化ZI区和初始化堆栈和堆，分别对应于图2中的①②③。
大多数RO属性的节都位于NorFlash中，它的加载视图和执行视图的起始地址相同，因此不需要移动。
Relocate_region区的加载视图和执行视图的起始地址不同，因此需要移动。将VECTOR节定位到片内SRAM主要是为了满足ARM架构对异常向量的位置要求，在执行完初始化序列中的SRAM重映射之后，就可以在地址0x0访问异常向量。board_lowlevel.o和board_memories.o紧随VECTOR之后，之所以将它们定位到片内SRAM主要是为了提高系统性能。
最后放置属性为ZI的节。 ZI节在映像中不占据空间，它们在SRAM中创建和零初始化。
ARM_LIB_STACK执行区用来为各种模式分配堆栈空间，它自SRAM顶部，即地址0x328000，开始向下增长。ARM_LIB_HEAP执行区，即堆空间，它自地址0x326000开始向上增长。
图2 从加载视图到执行视图
3.5 main登场
__main例程在完成任务之后最后调用C语言编写的main函数，引导过程结束，用户程序开始执行。
参考文献
[1] Andrew N.Sloss, Dominic Symes, Chris Wright. ARM嵌入式系统开发：软件设计与优化[M].沈建华, 译. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2005.
[2] Randal E.Bryant, DavidO’Hallaron. 深入理解计算机系统[M]. 龚奕利, 雷迎春, 译. 修订版. 北京:中国电力出版社, 2004.
[3] David Seal. ARM Architecture Reference Manual(2nd Edition)[M]. Addison-Wesley, 2001.
[4] Getting Started with the AT91SAM9261 Microcontroller[EB/OL]. http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc6298.pdf
[5] John R. Levine. Linkers and Loaders[M]. Morgan Kaufmann, 1999.
注：源代码下载地址http://files.cnblogs.com/dreamliner/getting-started-project-at91sam9261-ek.rar