arm開發(fā)經(jīng)驗筆記

    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(jìn)行補(bǔ)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?，F(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(jì)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(jīng)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(xué)習(xí)ARM編程的總結(jié)和心得。閱讀這個文檔的人應(yīng)當(dāng)首先閱讀ADS1.2的幫助文檔及相關(guān)內(nèi)容。這個文檔不會對編譯器及連接器做出詳細(xì)的說明, 在需要的時候會指出具體內(nèi)容在相關(guān)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(nèi)容以及C和C++的相關(guān)編程內(nèi)容。同時還需要了解ARM的流水線結(jié)構(gòu)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(guān)術(shù)語都使用英文原文 
第一章 STARTUP
1 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(nèi)存映射、內(nèi)存保護(hù)等機(jī)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(xì)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(jī)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(jīng)過編譯產(chǎn)生object文件,然后object文件經(jīng)過鏈接生成Image文件,然后通過ICE的方法,根據(jù)描述文件的指定下載到目標(biāo)板上的固態(tài)存儲器指定地址當(dāng)中,比如flash,EEPROM, ROM等等。在程序執(zhí)行之前,根據(jù)某些描述文件,將需要讀寫數(shù)據(jù)的部分讀出放入動態(tài)存儲器比如RAM當(dāng)中,然后程序從ROM開始執(zhí)行。或者有時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(dāng)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(jié)構(gòu)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(yīng)速度,會將這個向量段remap到其他的RAM當(dāng)中,所以在描述文件當(dāng)中必須精確指定異常向量跳轉(zhuǎn)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(shè)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(jù)不同的應(yīng)用,描述文件和初始化程序的內(nèi)容以及結(jié)構(gòu)和復(fù)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(fù)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?qū)崿F(xiàn)的功能
初始化程序根據(jù)不同的應(yīng)用,其結(jié)構(gòu)和復(fù)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(nèi)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(jī)理。

4.1 ARM Image的結(jié)構(gòu)
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(dāng)Image 下載的時候這些regions 和 sections 在內(nèi)存中的位置
  當(dāng)Image 執(zhí)行時這些regions和sections在內(nèi)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(dāng)中,它的層次結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如下圖：

 
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(rèn)為ZI,即用0值初始化,但是可以選擇不進(jìn)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(jù)。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(dāng)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(jù)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。

  
NOTE Load view 和execution view的詳細(xì)定義見ADS_LinkerGuide 3-4
以上的描述包括二個內(nèi)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(jù)這些地址進(jìn)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(yīng)用程序的復(fù)雜度而定,一針對簡單的情況,二針對復(fù)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(xì)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(jìn)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(yù)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(shè)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(nèi)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 scetion
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(zhǔn)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(jié)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(jié)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(yīng)用,如果需要進(jìn)行一個比較復(fù)雜的memory map,如下圖,那么這個方法就不適用了。為了解決復(fù)雜memory map的問題
需要用到scatter load 機(jī)制。