ARM启动代码分析-S64

理解启动代码(ADS)
　　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     %B1  

         MOV     R3,#0
         LDR     R1,=|Image$$ZI$$Limit|
2
         CMP     R2,R1
         STRLO   R3,[R2],#4
         BLO     %B2    

 

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     %B0

    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     %B3
  
   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