ARM启动过程详解

前言：本人因工作需要，首次接触到了ARM单片机，但因无人指导，走了不少弯路。下面这些笔记是我在一个多月的学习过程中总结的一点心得（可能比较乱，工作忙，没时间整理，各位朋友莫怪!），现在发到网上，与各位网友共享，希望对大家有点小小的帮助。本人购买的是上海勤研电子提供的ARM实验板，使用三星的S3C44B0X芯片，我在学习过程写的一些程序也参考了他们随板提供的一些源代码，特此致谢！

关于ARM和嵌入式我仍是个新手，下面的东东有些可能是错的。因此仅供参考！！并希望网友给予指正。也欢迎各位网友来信共同交流。

系统初始化流程如下：

禁止看门狗——》在中断控制器中屏蔽所有中断——》系统时钟设置——》初始化端口——》DMA设置——》cashe和总线设置——》存储器设置，初始化SDRAM——》初始化堆栈——》设置IRQ和FIQ的入口——》地址重映射

    通常系统初始化有两个阶段组成，分别为汇编和C写成。汇编应尽量简单一些，把更多的任务交给C来做，这样可增加整个程序的可读性和灵活性。必须由汇编来完成的任务有：异常中断向量表的设置、IRQ向量表（向量模式）或ISR初始化（非向量模式）、二级ISR地址表的定义、Flash和SDRAM的设置（否则系统无法加载代码）、堆栈设置和模式切换、拷贝RW和ZI代码、设置系统时钟等。而端口初始化、cashe和总线的设置、DMA配置以及其它控制器如LCD、UART、SIO、IP等可以在C中第二阶段初始化程序完成，另外也可以继续更改时钟或存储器配置等。下面是几个关键步骤配置的注意事项。

看门狗设置

    watch dog即可以作为普通的timer以产生周期性的中断，也可以周期性的产生reset信号（如果每隔一定时间不被清除的话），以防治程序跑飞。

系统时钟的初始化：

至少设置三个寄存器：LOCKTIME,PLLCON,LOCKCON。

LOCKTIME，地址0x01D8000C。用于指定PLL的初始化时间，在PLL初始化时，系统时钟为晶振输入或外部时钟直接提供，即MCLK=Fin；初始化完成后，切换，MCLK=Fout。初始值为0xfff＝4095个输入时钟周期。一般将其设为初始值。

PLLCON,，地址0x01D80000。设置MDIV,PDIV,SDIV三个值，用于确定Fout和Fin的频率分配比值：Fout = (m * Fin) / (p * 2s)，其中

m = (MDIV + 8), p = (PDIV + 2), s = SDIV

典型的几个值如下：

No.FinFoutMDIVPDIVSDIV

110Mhz40Mhz0x480x30x2

210500x2a0x30x1

310600x340x30x1

44600x340x00x1

53600x480x00x1

610750x3a0x30x1

CLKCON,地址0x01D80004。用于设置是否向外设提供时钟，一般设为默认值0x7ff8，即所有外设提供时钟。

存储器初始化（尤其是SDRAM）：

ARM7TDMI的地址映射如下：

（在ARM体制中，所有的各种内、外存储器，外设，寄存器，cashe，write buffer，通用IO口等全都采用统一编址）

注：0x10000000～0x100047f0为内部cashe/sram 及其Tag和LRU的地址。

BANK0~BANK5为ROM/SRAM/FLASH,

BANK6~BANK7为SDRAM/ROM/SRAM/FLASH

要设置的寄存器如下：

BWSCON：BANK0~BANK7的UB/LB使能、Wait信号使能、数据线宽度；

BANKCON0~BANKCON5：各bank（flash或Sram）的访问时序控制。flash或Sram主要参数如下所示：

Tacs [14:13] Address set-up before nGCSn

Tcos [12:11] Chip selection set-up nOE

Tacc [10:8] Access cycle

Toch [7:6] Chip selection hold on nOE

Tcah [5:4] Address holding time after nGCSn

Tpac [3:2] Page mode access cycle @ Page mode

PMC [1:0] Page mode configuration

不同厂家、性能、速度的器件设置有所不同。

BANKCON6~BANKCON7：主要用于SDRAM，当然也可以是Flash或SRAM。SDRAM的时序控制稍微复杂，还有：

Trcd [3:2] RAS to CAS delay

    SCAN [1:0] Column address number

当然也可用于DRAM。

REFRESH 地址： 0x01C80024，DRAM/SDRAM的更新控制寄存器；

MRSRB6 ～MRSRB7：DRAM/SDRAM的模式控制寄存器，这个寄存器在系统初始时，即SDRAM使用前必须被有效地的设置。

    这几个寄存器的设置比较复杂，应仔细阅读Samsang（page168）的数据手册和相关存储器的资料。

一个典型的配置如下：

ldr r0, =SMRDATA

ldmia r0, {r1-r13}

ldr r0, =0x01c80000 ; BWSCON Address

stmia r0, {r1-r13}

SMRDATA DATA

DCD 0x11222220 ; BWSCON Bank0=OM[1:0],8bits宽 Bank1~Bank5=32bit，Bank6~Bank=16bit，不使用UB/LB信号，WAIT disable; 使用little Endian存储格式

DCD 0x000056A8; GCS0 :Tacs=2clk;Tcos=2clk;Tacc=10clk;

Toch=2clk;Tcah=2clk;Tpac=4clk;PMC=normal(1data)

DCD 0x00000700 ; GCS1 除了Access cycle为14个clk外，其它均为0clk

DCD 0x00000700 ; GCS2

DCD 0x00000700 ; GCS3

DCD 0x00000700 ; GCS4

DCD 0x00000700 ; GCS5

DCD 0x00018005 ; GCS6, SDRAM；RAS to CAS delay 2 clk；Column address number：9bits

DCD 0x0001002a ; GCS7, EDO DRAM(Trcd=3, Tcas="2", Tcp="1", CAN="10bit")

DCD 0x00870441 ; Refresh enable；Auto Refresh； Trp="3", Trc="5", Tchr="3"；

刷新计数:1019

DCD 0x17 ; SCLK power down mode enable；Bank6&7 Size, 16MB/16MB

DCD 0x20 ; MRSR 6：CAS Latency="2clk"；burst type为线性（不支持交织访问）；

burst number：1bit（不支持促发读写）

DCD 0x20 ; MRSR 7(CL=2)

注：三星的实验板中在nGCS0外接Flash，型号为SST39VF160，其datasheet中有其读写时序的详细说明和各种时间值的最大或最小值，但均以ns为单位，且各时间值的名称也与寄存器的要求不完全相同。要使Flash达到最优设置，必须读懂其时序并按其推荐值设置寄存器。显然这并不是件容易的事情。在本次实验板的boot程序中，其各时序值均是最大值给出。参见memcfg.h文件。

三星的实验板中在nGCS6外接SDRAM，型号为IC42S16800－7T,（4096ROW*512COLUM*4Bank*16bits＝128Mbits＝16MB）

由上面的例子可以看出需要设置的参数为：1.Banksize,UB/LB,WAITenable/disable,large/little Endian;

2.RAS to CAS delay, Column address number;

3.Refresh enable/disable,Auto/self refresh, SDRAM RAS pre-charge Time, SDRAM RC minimum Time, Refresh Counter;

4.power down mode,banksize;

4.CAS Latency，burst type，burst number。

Refresh counter的设置：Refresh period = (211-refresh_count+1)/MCLK

Ex) If refresh period is 16 us and MCLK is 60 MHz,

the refresh count is as follows;

refresh_count = 211 + 1 - 60x16 = 1089

上面的例子只是对Flash和SDRAM的一个经验设置值，可能不是最优的。最优设置还必须参考器件的数据手册。尤其是对于SDRAM的RAS to CAS delay、SDRAM RAS pre-charge Time、SDRAM RC minimum Time三个时序值。

特别注意：在线调试阶段，在AXD软件中必须引入对SDRAM初始化的seesion文件或ini文件，或者在command interface中敲入所需的配置命令（在load image之前完成），并且最后注释掉reset汇编程序中的初始化SDRAM的命令。否则程序就可能跑飞。而生成要下载的flash程序代码时，则系统reset时就必须完成此功能。

端口初始化

ARM的大部分信号在同一端口是功能复用的。为此初始化时必须指定各PA～PG口的各管脚的功能。在实验板根据外围器件的选择对各端口做如下配置：

PA（10bits）：全部用作高端地址线；PCONA＝0x3ff

PB（11bits）：全部用作存储器控制信号；PCONB＝0x7ff

PC（16bits）：4～7用于LCD的VD4～VD7；12，13用于UART的TXD1，RXD1（注意：这里的UART没有使用CTS、RTS信号，只用了TX、RX）；其它全部用于通用IO口，GPC0～3用于IIS；GPC10和14用于NAND Flash；GPC15用于USB Device；GPC8、9用于LCD；GPC11暂时没用。PCONC＝0x5f55ff55.(这里假定IO口全为output，实际应用时再确认一下是In或是out)

PD（8bits）：全部用于LCD的控制信号。PCOND＝0xaaaa。

PE（9bits）：8用于Endian，确定存储器格式；1，2分别为TXD0，RXD0；0，3～7用于通用IO口（暂定output），PE3用于蜂鸣器；PE4～7用于LED显示。PCONE＝0x05569。

PF（9bits）：0、1用于IIC总线的SCK、SDA信号；其它均为通用IO口（暂定output），其中GPF2～4用于IDE，GPF5～8用于触摸屏。PCONF＝0x09255a。

PG（8bits）：全部用于外部中断EXINT0～7。PCONG＝0xffff。

注意：上述端口分配是S3C44b0x测试板（勤研电子）的分配情况。

另外还有下面几个寄存器需要设置：

上拉电阻寄存器，包括一些端口和数据线；

EXTIN：设置8个外中断的触发方式，low，high，rising or falling edge等。

EXTINTPND：中断待处理寄存器，用于解决EXTINT4～7共享一个中断源的问题。

Cache&Bus设置

通过内部寄存器可以设置cashe mode（cashe和sram），write buffer，non-cashable area,以及bus的优先级等。

通常，在一般的用户程序中不使用cashe（即全部用作Sram），禁用write buffer，bus优先级选择默认就可以了，即1. DRAM refresh controller－2. LCD_DMA－3. ZDMA0,1－4. BDMA0,1－5. External bus master－6. Write buffer－7. Cache & CPU。

只配置一下SYSCFG：0x0。

DMA配置

ZDMA在系统总线上，完成系统总线上器件的数据传送，如存储器。BDMA也有2个，桥接系统总线和外设总线，即可以完成分别位于两条总线上的器件的数据传送，也可完成外设总线上器件如SIO、UART、TIMER等之间数据传送。

DMA的四种数据传送方式。

DMA的触发选择：XDREQ/XDACK、S/W、H/W等。

一般地，DMA的初始化只需完成BDMA的目标地址寄存器的初始化：BDIDES0，1=0x40000000，即传送方向为内部存储器到外设，初始目的地址：0x0。

中断寄存器的配置和中断向量表的设计

中断有两种IRQ和FIQ，后者优先级高于前者。另外，ARM系统还做了些特殊安排以使FIQ有更快的响应速度，如FIQ的ISR可以直接放在0x1c（紧跟FIQ）开始的地址单元中，免去了跳转；属于FIQ的中断向量表可常驻cashe；FIQ较IRQ有更多的物理寄存器等。通常在简单的用户程序中，可以不使用FIQ，所有中断都设为IRQ（默认情况）。

ARM7有30个中断源，实际使用25个。其优先级如下所示：

一些重要的中断设置寄存器如下：

INTCON  0x01E00000 ：中断控制。指定IRQ是否采用向量模式（一般采用非向量模式，这也是默认值）。指定CPU是否响应IRQ和FIQ。

INTPND：只读。指定中断源是否有中断请求，可以同时有多个中断请求。当对应的ISR结束时，通过向I_ISPC和F-ISPC写1来清除INTPND中对应的比特位，否则该中断将连续执行。

INTMSK：各中断源是否屏蔽。初始值时屏蔽。

INTMOD：指定各中断源是IRQ或FIQ，默认值全为IRQ。

I_PSLV：  0x01E00010   R/W    IRQ priority of slave register  0x1b1b1b1b

I_PMST：  0x01E00014   R/W    IRQ priority of master register  0x00001f1b

I_CSLV：  0x01E00018   R       Current IRQ priority of slave register  0x1b1b1b1b

I_CMST：  0x01E0001C  R       Current IRQ priority of master register  0x0000xx1b

I_ISPR：   0x01E00020   R      IRQ interrupt service pending register

I_ISPC：   0x01E00024   W      IRQ interrupt service clear register

F_ISPC：   0x01E00024   W      FIQ interrupt service clear register

优先级取默认值就可以了。

ISPR只读，指示当前被响应的中断源，没有或只有一个被响应，尽管此时INTPND中可能有几个中断请求。ISR结束时，通过向ISPC对应位写1来清除ISPR中的对应位。

在ARM7TDMI中，中断向量表的设置有两种模式：向量模式和非向量模式。前者只适于全IRQ的设置。采用非向量模式时，通过分析ISPR（发生中断时，其中只有一个位为1，其它全为0）找到要执行的ISR的入口地址。在向量模式中，当发生IRQ时，CPU自动产生跳转地址，如同异常中断的使用。各IRQ的一级ISR的跳转地址如下：

中断有异常中断（如：Dabort、Pabort、Undef等）和IRQ或FIQ两种。下面以向量模式下的IRQ为例介绍一下中断设置。

过程如下：IRQ中断向量表设置——>写一级ISR——>分配二级ISR的入口地址表——>写二级ISR——>把二级ISR的入口地址放到二级ISR的入口地址表中。这样在开中断的情况下，一个ISR就可以正常执行了。一个ISR的执行过程如下。

首先要在系统初始化时开中断：INTMSK各中断位清零且INTCON的IRQ位清零（使能）且CPSR的I比特清零（使能），缺一不可。中断发生时，首先由模式SYS或User切换至IRQ，同时完成现场保护（工作指针入栈、保存CPSR、PC－>LR），然后PC直接跳到IRQ中断向量表的相应地址（一级ISR的入口），紧接着跳到一级ISR并执行；一级ISR通常由汇编写成，仅完成一个跳转任务（有时也看一下寄存器ISPR，判断该中断是否被错误触发，如果错误将直接返回），即从二级ISR的入口地址表中找到相应中断的入口地址，其间工作现场没有变化。二级ISR通常由c语言写成，中断的真正的响应程序就在此处。ISR结束时，要对INTMSK中的pending比特清零（通过置位ISPR中相应比特），否则将连续响应该中断。然后CPU自动切换至中断前的工作模式，并恢复现场。

在C语言中关键字”__irq”的作用：当ISR定义时有此关键字，则ISR结束后CPU自动从栈中恢复中断前模式的LR，并把它赋值给PC，完成ISR的正常返回。如果无此关键字，则CPU只能返回到二级ISR前的中断状态，此时仍为IRQ工作模式。当然也能够继续执行用户程序，只是工作模式不对，此模式下再不能响应其它IRQ中断。

事实上，CPU响应中断并执行ISR相当于一个程序调用过程。用户程序不必干预CPU的模式切换、现场保护、程序返回。

中断向量表的设置。一级中断向量表紧跟异常中断向量表，位于0x20～0xc0。只读。由于S3C44b0x没有MMU和地址映射功能，该中断向量表必须和异常中断向量表一起固化到系统地址空间的0x0处，即Flash的起始处。在线调试阶段也必须保证该表存在于Flash中。二级ISR的地址表一般位于RAM空间的最后256个字节处，紧跟在堆栈后，在汇编语言中由MAP语句创建（8个异常中断和25个IRQ，共33×4＝132Byte），可读写。同时在c中定义一组指向相同地址空间的无符号型指针，当然指针名称必须和汇编中的定义相同。这样在C中的ISR初始化程序中，可直接把二级ISR的入口放到地址表中。如：pISR_EINT0=(unsigned)Isr_Eint0; pISR_EINT0为地址表中的指针，而Isr_Eint0为ISR的名称，也是其入口地址。二级ISR地址表和一级表不同的是，其各中断的顺序可任定，但必须保证汇编和C中的定义一致。

对于非向量模式，不使用IRQ中断向量表，但二级ISR地址表的设置是相同的。在本测试程序中boot.s同时包含了两种格式的设置，只要设置好INTCON中的mode比特，两种模式都可以用。注意非向量模式，在汇编中要设置IRQ和FIQ的入口地址。因为在非向量模式要靠IsrIRQ和IsrFIQ来定位响应的中断源位置。

    另外，为了保证开中断后，程序不至于跑飞，最好编写所有的IRQ 的ISR，该ISR可以是个空函数，确保能正常返回就行了。

堆栈初始化和工作模式的切换

ARM7TDMI有7种工作模式，要用到6个stack，其中SYS和User共用一个Stack。堆栈设置采用流行的FD模式（full decresment）。通常放在RAM空间的次最高段（最高的256B为ISR的地址表），在16M的SDRAM中，各stack设置如下：

0x0cff_f000～0x0cff_fa00: Uers and SYS stack,2560B,够大了。

0x0cff_fa01～0x0cff_fb00: SVC stack, 256B;

0x0cff_fb01～0x0cff_fc00: Undef stack, 256B;

0x0cff_fc01～0x0cff_fd00: Abort stack, 256B;

0x0cff_fd01～0x0cff_fe00: IRQ stack, 256B;

0x0cff_fe01～0x0cff_ff00: FIQ stack, 256B;

0x0cff_ff01～0x0cff_ffff: ISR地址表, 256B;

CPU的模式切换通常由异常中断产生，或者在SVC或SYS模式下完成。User模式中用户程序不能改变工作模式（除了应用异常中断，如SWI），当然也不能改变CPSR的值（也就不能开关中断了！）。通常如果不用嵌入式OS，单任务的用户程序工作在SYS或SVC模式下更好一些，这样可以更方便的使用硬件资源。如果使用SVC模式，甚至可以不设置SYS and User stack。

系统加电重起时，首先进入SVC模式，完成初始化，在调用C的main函数之前再切换到SYS或User模式。因此可以把堆栈初始化放到最后执行，并最后设置SYS stack，这样进入main之后可以直接工作在SYS模式下。本测试程序就是如此设置的。

分布式加载

ADS1.2中的ARM linker支持分布式加载，即加载域（load）和执行域（image）的各个输出段（RO、RW、ZI）可以有不同的地址。可以很方便的生成供在线调试和下载的elf格式的文件。通常总线调试只需设置RO base＝0x0c000000；而生成下载代码则要设置RO base＝0x0，RW base＝0x0c000000，并且一定要把boot.o设成first section，否则程序入口不在0x0则无法完成异常中断和普通中断，包括reset。至于ropi、rwpi、split的应用参见linker的有关资料。

链接器同时产生一组符号，给出各个域或者各个输出段的区间的长度，装载地址和执行地址。由于链接器和C库都没有将代码从它的装载区间拷贝到执行区间，或创建一个零初始化区域的功能，所以要由应用程序员利用这组符号产生的信息完成这项工作，这是在呼叫C程序之前必须完成的，举例如下：

LDR r0, = |Load

DRAM

Base|

LDR r1, = |Image

DRAM

Base|

CMP r0, r1  检查装载地址和执行地址是否相同

BEQ do_zi_init  相同，则不拷贝该区间，初始化零数据区

MOV r2, r1 ； 不相同，将装载区拷贝到执行区

LDR r4, = |Image

DRAM

length|

ADD r2, r2, r4

BL copy

do_zi_init

LDR r1, = |Image

DRAM

ZI$$Base|

MOV r2, r1

LDR r4, = |Image

DRAM

ZI$$length|

ADD r2, r2, r4

MOV r3, #0

BL zi_init  调用零初始化子程序

上例中使用了ARM Linker产生的与域有关的几个符号