EEPW论坛

摘要：在介绍基于 ARM 体系的嵌入式系统启动流程的基础上，结合编程实例，详细、系统地叙述了 BSP （板级支持包）程序的各个组成部分及其具体设计方案，并就实际程序设计中的几个难点问题做了说明。 关键词：ARM BSP 嵌入式系统微处理器 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 （ Board Support Package ）板级支持包介于主板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 VxWorks 的 BSP 和 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 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 程序员对硬件、软件和操作系统都要有一定的了解。 本文介绍基于 ARM 体系的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。 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 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。 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。 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。 在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。
1．6 初始化有特殊要求的端口、设备
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
ARM有两种汇编指令集：16位THUMB指令集和32位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ARM 32位指令集快，提高了代码密度。为了满足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。 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。在汇编和C/C++之间的函数调用时，也要遵循ATPCS的定义，还要注意的是用C语言编写嵌入式程序时，要避免使用不能被固化到ROM中的库函数。 2．2 MMU的实现过程
页表是实现MMU的重要手段。页表存放在内存中，从虚拟地址到物理地址的变换过程其实就是查询页表的过程。大小为1MB的存储块通常被称为段. 本文介绍的BSP程序已经在以HMS30C7202为主芯片的开发系统上运行并测试通过，并且成功地引导了Linux内核，文中引用代码可以直接使用。今后可以在此基础上添加命令行解释程序，在引导操作系统前进行存存储器的读写等，扩展开发系统的功能。