arm启动代码详细分析

所谓启动代码,就是处理器在启动的时候执行的一段代码,主要任务是初始化处理器模式,设置堆栈,初始化变量等等.由于以上的操作均与处理器体系结构和系统配置密切相关,所以一般由汇编来编写.
　　具体到S64,启动代码分成两部分,一是与ARM7TDMI内核相关的部分,包括处理器各异常向量的配置,各处理器模式的堆栈设置,如有必要,复制向量到RAM,以便remap之后处理器正确处理异常,初始化数据(包括RW与ZI),最后跳转到Main.二是与处理器外部设备相关的部分,这和厂商的联系比较大.虽然都采用了ARM7TDMI的内核,但是不同的厂家整合了不同的片上外设,需要不同的初始化,其中比较重要的是初始化WDT,初始化各子系统时钟,有必要的话,进行remap.这一部分与一般控制器的初始化类似,因此,本文不作重点描述.
　　在进行分析之前,请确认如下相关概念:
S64片上FLASH起始于0x100000,共64kB,片上RAM起始于0x200000,共16kB.
S64复位之后,程序会从0开始执行,此时FLASH被映射到0地址,因此,S64可以取得指令并执行.显然,此时还是驻留在0x100000地址.如果使用remap命令,将会把RAM映射到0地址,同样的这时0地址的内容也只是RAM的镜像.
S64的FLASH可以保证在最差情况时以30MHz进行单周期访问,而RAM可以保证在最大速度时的单周期访问.
OK,以下开始分析启动代码.

一,处理器异常
S64将异常向量至于0地址开始的几个直接,这些是必需要处理的.由于复位向量位于0,也需要一条跳转指令.具体代码如下:
RESET
B SYSINIT ; Reset
B UDFHANDLER ; UNDEFINED
B SWIHANDLER ; SWI
B PABTHANDLER ; PREFETCH ABORT
B DABTHANDLER ; DATA ABORT
B . ; RESERVED
B VECTORED_IRQ_HANDLER
B . ; ADD FIQ CODE HERE

UDFHANDLER
B .

SWIHANDLER
B .

PABTHANDLER
B .

DABTHANDLER
B .

请注意,B指令经汇编后会替换为当前PC值加上一个修正值(+/-),所以这条指令是代码位置无关的,也就是不管这条指令是在0地址还是在 0x100000执行,都能跳转到指定的位置,而LDR PC,=???将向PC直接装载一个标号的值,请注意,标号在编译过后将被替换为一个与RO相对应的值,也就是说,这样的指令无论在哪里执行,都只会跳转到一个指定的位置.下面举一个具体的例子来说明两者的区别:
假定有如下程序:
RESET
B INIT 或者 LDR PC,=INIT
…

INIT
…
其中RESET为起始时的代码,也就是这条代码的偏移为0,设INIT的偏移量为offset.如果将这段程序按照RO=0x1000000编译, 那么B INIT可理解为ADD PC, PC, #offset,而LDR PC,=INIT可被理解为 MOV PC,#(RO+offset) .显然当系统复位时,程序从0开始运行,而0地址有FLASH的副本,执行B INIT将把PC指向位于0地址处的镜像代码位置,也即INIT;如果执行LDR PC,=INIT将会将PC直接指向位于FLASH中的原始代码.因此以上两者都能正确运行.下面将RO设置为0x200000,编译后生成代码,还是得烧写到FLASH中,也就是还是0x100000,系统复位后从0地址执行,还是FLASH的副本,此时执行B INIT,将跳到副本中的INIT位置执行,此处有对应的代码;但是如果执行LDR PC,=INIT,将向PC加载0x200000+offset,这将使得PC跳到RAM中,而此时由于代码没有复制,RAM中的指定位置并没有代码,程序无法运行.

二,处理器模式
ARM的处理器可工作于多种模式,不同模式有不同的堆栈 ,以下设置各模式及其堆栈.
预定义一些参数:
MODUSR EQU 0x10
MODSYS EQU 0x1F
MODSVC EQU 0x13
MODABT EQU 0x17
MODUDF EQU 0x1B
MODIRQ EQU 0x12
MODFIQ EQU 0x11

IRQBIT EQU 0x80
FIQBIT EQU 0x40

RAMEND EQU 0x00204000 ; S64 : 16KB RAM

VECTSIZE EQU 0x100 ;

UsrStkSz EQU 8 ; size of USR stack
SysStkSz EQU 128 ; size of SYS stack
SvcStkSz EQU 8 ; size of SVC stack
UdfStkSz EQU 8 ; size of UDF stack
AbtStkSz EQU 8 ; size of ABT stack
IrqStkSz EQU 128 ; size of IRQ stack
FiqStkSz EQU 16 ; size of FIQ stack

修改这些值即可修改相应模式堆栈的尺寸.
以下为各模式代码:
SYSINIT
;
MRS R0,CPSR
BIC R0,R0,#0x1F

MOV R2,#RAMEND
ORR R1,R0,#(MODSVC :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)
MSR cpsr_cxsf,R1 ; ENTER SVC MODE
MOV sp,R2
SUB R2,R2,#SvcStkSz

ORR R1,R0,#(MODFIQ :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)
MSR CPSR_cxsf,R1 ; ENTER FIQ MODE
MOV sp,R2
SUB R2,R2,#FiqStkSz

ORR R1,R0,#(MODIRQ :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)
MSR CPSR_cxsf,R1 ; ENTER IRQ MODE
MOV sp,R2
SUB R2,R2,#IrqStkSz

ORR R1,R0,#(MODUDF :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)
MSR CPSR_cxsf,R1 ; ENTER UDF MODE
MOV sp,R2
SUB R2,R2,#UdfStkSz

ORR R1,R0,#(MODABT :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)
MSR CPSR_cxsf,R1 ; ENTER ABT MODE
MOV sp,R2
SUB R2,R2,#AbtStkSz

;ORR R1,R0,#(MODUSR :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)
;MSR CPSR_cxsf,R1 ; ENTER USR MODE
;MOV sp,R2
;SUB R2,R2,#UsrStkSz

ORR R1,R0,#(MODSYS :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)
MSR CPSR_cxsf,R1 ; ENTER SYS MODE
MOV sp,R2 ;

三,初始化变量
编译完成之后,连接器会生成三个基本的段,分别是RO,RW,ZI,并会在image中顺序摆放.显然,RW,ZI在运行开始时并不位于指定的RW位置,因此必须初始化
LDR R0,=|Image$$RO$$Limit|
LDR R1,=|Image$$RW$$Base|
LDR R2,=|Image$$ZI$$Base|
1
CMP R1,R2
LDRLO R3,[R0],#4
STRLO R3,[R1],#4
BLO ?

MOV R3,#0
LDR R1,=|Image$$ZI$$Limit|
2
CMP R2,R1
STRLO R3,[R2],#4
BLO ?

四,复制异常向量
由于代码于RAM运行时,有明显的速度优势,而且变量可以动态配置,因此可以通过remap将RAM映射到0,使得出现异常时ARM从RAM中取得向量.
IMPORT |Image$$RO$$Base|
IMPORT |Image$$RO$$Limit|
IMPORT |Image$$RW$$Base|
IMPORT |Image$$RW$$Limit|
IMPORT |Image$$ZI$$Base|
IMPORT |Image$$ZI$$Limit|

COPY_VECT_TO_RAM
LDR R0,=|Image$$RO$$Base|
LDR R1,=SYSINIT
LDR R2,=0x200000 ; RAM START
0
CMP R0,R1
LDRLO R3,[R0],#4
STRLO R3,[R2],#4
BLO ?

这段程序将SYSINIT之前的代码,也就是异常处理函数,全部复制到RAM中, 这就意味着不能将RW设置为0x200000,这样会使得向量被冲掉.

四,在RAM中运行
如果有必要,且代码足够小,可以将代码置于RAM中运行,由于RAM中本身没有代码,就需要将代码复制到RAM中:
COPY_BEGIN
LDR R0,=0x200000
LDR R1,=RESET ; =|Image$$RO$$Base|
CMP R1,R0 ;
BLO COPY_END ;

ADR R0,RESET
ADR R2,COPY_END
SUB R0,R2,R0
ADD R1,R1,R0

LDR R3,=|Image$$RO$$Limit|
3
CMP R1,R3
LDRLO R4,[R2],#4
STRLO R4,[R1],#4
BLO ?

LDR PC,=COPY_END

COPY_END
程序首先取得RESET的连接地址,判断程序是否时是在RAM中运行,方法是与RAM起始地址比较,如果小于,那么就跳过代码复制.
在复制代码的时候需要注意,在这段程序结束之前的代码没有必要复制,因为这些代码都已经执行过了,所以,先取得COPY_END,作为复制起始地址,然后计算其相对RESET的偏移,然后以RO的值加上这个偏移,就是复制目的地的起始地址,然后开始复制.

五,开始主程序
以上步骤完成,就可以跳转到main运行
IMPORT Main

LDR PC,=Main
B .
六,器件初始化
主程序首先要进行器件的初始化,对S64而言,应该先初始化WDT,因为默认情况下,WDT是打开的,然后是各设备的时钟分配,最后应该remap