圖9 重定向_user_initial_stackheap()

圖10 基本初始化過程

圖11 ROM/RAM重定向和映射

表1

系統(tǒng)復(fù)位和初始化
目前情況，一般假設(shè)程序從C庫函數(shù)的初始化入口_main開始執(zhí)行。實際上，所有的嵌入式程序在啟動時都要執(zhí)行一些系統(tǒng)級的初始化操作。在此討論這方面的內(nèi)容。
初始化過程
圖10中顯示了一個基于ARM的嵌入式系統(tǒng)的基本初始化過程?？梢钥吹?，在_main之前加入了一個復(fù)位處理模塊reset handler，它在系統(tǒng)上電復(fù)位時立即啟動。標(biāo)識為$sub$$main的新代碼塊在進入主程序之前執(zhí)行。
復(fù)位處理模塊reset handler通常是一小段匯編代碼，在系統(tǒng)復(fù)位時執(zhí)行。它至少完成應(yīng)用程序中使用到的所有處理器模式的堆棧初始化工作。對于含有本地存儲器系統(tǒng)的內(nèi)核(比如含cache的ARM內(nèi)核)，配置工作也必須在這一段初始化過程中完成。當(dāng)完成系統(tǒng)初始化之后，通常程序會跳向_main，開始C庫函數(shù)的初始化過程。
系統(tǒng)初始化過程一般還包括另外一些內(nèi)容，中斷使能等，這些大多安排在C庫函數(shù)的初始化完成之后執(zhí)行。$sub$$main()完成這部分功能。
向量表(vector table)
所有的ARM系統(tǒng)都有一張中斷向量表當(dāng)出現(xiàn)異常需要處理時，必須調(diào)用向量表。向量表一般要位于0地址處。

表2

表3

表4

表5

表6

表7

表8

表9

表10

存儲器配置
*ROM/RAM重定向
當(dāng)系統(tǒng)啟動的時候，為了保證0地址處有正確的啟動代碼存在，需要非易失性的存儲器。
一種簡單的方法，就是把系統(tǒng)0x0000開始的一塊地址分配給ROM。其缺點是，由于ROM的訪問速度比RAM慢很多，當(dāng)執(zhí)行中斷響應(yīng)需要從中斷向量表跳轉(zhuǎn)時，會給系統(tǒng)性能帶來損失；同時，在ROM中的向量表內(nèi)容也不能被用戶程序動態(tài)修改。
另外一種可行的方案如圖11所示。ROM位于地址0x1000開始的地方，但是在系統(tǒng)復(fù)位時又被存儲器控制器映射到0x0000地址處。這樣當(dāng)系統(tǒng)啟動之后，在地址0x0000看到的是ROM，系統(tǒng)執(zhí)行這塊ROM中的啟動代碼，啟動代碼跳轉(zhuǎn)到真正的ROM的地址，并讓存儲器控制器移除對ROM的地址映射。這時0x0000地址處的存儲器又恢復(fù)回了RAM。__main中的代碼把向量表copy到0x0000處的RAM中去，使得異常時能被正確響應(yīng)。
表1為ARM匯編中執(zhí)行ROM/RAM重定向和映射的一個例子。它以ARM公司的Integrator平臺為基礎(chǔ)的，該方法適用于類似ROM/RAM重定向方法的所有平臺。第一條指令完成從ROM的映射地址(0x00000)到真實地址的跳轉(zhuǎn)。地址標(biāo)號instruct_2是ROM的真實地址(0x180004)。然后通過設(shè)置Integrator平臺上的相應(yīng)控制寄存器，移除ROM的地址映射。代碼在系統(tǒng)一啟動就被執(zhí)行。所有關(guān)于地址重定向/映射的操作必須在C庫函數(shù)初始化之前完成。
*本地存儲器配置
許多ARM處理器都有片上存儲器系統(tǒng)，如cache和緊密耦合存儲器(TCM)、存儲器管理單元(MMU)或存儲器保護單元(MPU)。這些設(shè)備都要在系統(tǒng)初始化過程中正確配置，并且有一些特殊的要求需要考慮。
由前文可知，_main中的C庫函數(shù)初始化代碼負責(zé)程序運行時的存儲器系統(tǒng)設(shè)置。因此，整個存儲器系統(tǒng)本身必須得在__main之前完成初始化工作，如MMU或MPU必須在reset handler里面完成配置。
緊密耦合存儲器(TCM)的初始化同樣須在_main之前完成(通常在MMU/MPU之前)，因為一般程序都需要把代碼和數(shù)據(jù)分散裝入TCM。需要注意的是當(dāng)TCM被使能后，不再訪問被TCM屏蔽的存儲器。
關(guān)于cache的一致性問題，如果cache在_main之前使能的話，那么當(dāng)_main里面進行從裝載區(qū)到執(zhí)行區(qū)的代碼和數(shù)據(jù)拷貝時(因為在拷貝過程中指令和數(shù)據(jù)在本質(zhì)上都是被當(dāng)作數(shù)據(jù)處理)，指令會出現(xiàn)在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。避免此問題的方法是在C庫函數(shù)初始化完成后再使能cache。
*Scatter loading與存儲器配置
無論是通過ROM/RAM重定向還是MMU配置的方法，如果系統(tǒng)在啟動和運行時存儲器分布不一致，scatterloading文件中的定義就要按照系統(tǒng)重定向后的存儲器分布情況進行。
以上文ROM/RAM重定向為例：
LOAD_ROM 0x10000 0x8000
{
EXE_ROM 0x10000 0x8000
{
reset_handler.o (+RO, +FIRST)
...
}
RAM 0x0000 0x4000
{
vectors.o (+RO, +FIRST)
...
}
}
裝載區(qū)LOAD_ROM被放置在0x10000處，代表了重定向之后代碼和數(shù)據(jù)的裝載地址。
堆棧的初始化
程序中可能用到的處理器模式，都需要定義一個堆棧指針。
在表2中，堆棧位于stack_base標(biāo)識的地址中。這個符號可以是存儲器系統(tǒng)中的一個直接地址，也可以在另外的匯編文件中定義，由scatter文件來定義分配地址。表2代碼為FIQ和IRQ模式各分配了一個256字節(jié)的堆棧，用戶可以用同樣的方法為其他模式也分配堆棧。最簡單的方法就是進入相應(yīng)的模式，然后為SP寄存器指定相應(yīng)的值。如果想使用軟件堆棧檢查，還必須指定一個堆棧長度限制值。
堆棧指針和堆棧限制的數(shù)值會作為參數(shù)自動傳遞到C庫函數(shù)的初始化代碼__user_initial_stackheap中，在__user_initial_stackheap中不應(yīng)該修改這些值。
硬件初始化 $sub$$main()
一般來說，應(yīng)該把所有的系統(tǒng)初始化代碼與主應(yīng)用程序分離開來，但是有幾個例外，比如cache和中斷的使能，需要在C庫函數(shù)初始化之后執(zhí)行。
表3代碼顯示了如何使用 $sub和 $supper 。連接器把呼叫main()的函數(shù)替換成呼叫$sub$$main()，完成cache和中斷的使能，并最終跳向main()。
執(zhí)行模式考慮
為主應(yīng)用程序選擇一個處理器執(zhí)行模式非常重要，這取決于系統(tǒng)的初始化代碼。
許多在啟動過程中使用到的功能，如MMU/MPU的配置、中斷的使能等，只能在特權(quán)級模式下進行。如果需要在特權(quán)極模式下運行自己的應(yīng)用程序，只要在退出初始化過程之前改變到相應(yīng)的模式就行了，沒有其他任何問題。
如果使用user模式，必須保證所有只能在特權(quán)模式下執(zhí)行的功能完成之后，才能進入user模式。因為system模式和user模式使用相同的寄存器組，reset handler應(yīng)該從system模式退出，_user_initial_stackheap在system模式下完成應(yīng)用程序堆棧的初始化。這樣在處理器進入user模式后，所有的堆?？臻g都已經(jīng)被正確設(shè)置好了。

對存儲器布局的進一步考慮
在scatter文件中分配硬件地址
雖然可以在一個scatter文件中描述代碼和數(shù)據(jù)的分散布局，但是目標(biāo)硬件中的外設(shè)寄存器，堆棧和heap配置仍然直接采用硬件地址在程序源代碼中進行設(shè)置。如果把所有存儲器地址相關(guān)的信息都在scatter文件中進行定義，避免在源文件中引用絕對硬件地址，對程序的工程化管理是有大好處的。
*在scatter文件中定義目標(biāo)外設(shè)地址
通常外設(shè)寄存器的地址在程序文件或頭文件中定義，也可以聲明一個結(jié)構(gòu)類型指向外設(shè)寄存器，結(jié)構(gòu)的地址定位在scatter文件中完成。
舉例來說，目標(biāo)定時器上有2個32位的寄存器，可以用表4來映射這些寄存器。為了把結(jié)構(gòu)放置在指定的存儲器地址上面，創(chuàng)建一個新的執(zhí)行區(qū)(見表5)。scatter文件便把timer_regs結(jié)構(gòu)定位在了地址0x40000000。
注意，在啟動過程當(dāng)中這些寄存器的內(nèi)容不需要清零，改變寄存器的內(nèi)容可能影響系統(tǒng)狀態(tài)。在執(zhí)行區(qū)上加UNINIT屬性可以防止ZI數(shù)據(jù)在初始化過程中被清零。
在scatter文件中分配堆棧和heap
在許多情況下，用scatter文件來定義堆棧和heap的地址會帶來一些好處，主要有：所有的存儲器分配信息集中在一個文件里；改變堆棧和heap的地址只要重新連接就行了，不需要重新編譯。
*顯式地放置符號
在ADS1.2環(huán)境下，這是最簡單的方法。在前文中引用過2個符號stack_base和heap_base，這2個符號在匯編模塊中創(chuàng)建，在scatter文件中各自的執(zhí)行區(qū)里定位(見表6)。
表7文件中，heap基地址定位在0x20000上，堆?；刂肺挥?x40000。現(xiàn)在heap和堆棧的位置就可以非常方便地進行編輯了。
*使用連接器產(chǎn)生的符號
這種方法需要在目標(biāo)文件中指定好heap和堆棧的長度。這在一定程度上減弱了本節(jié)開頭描述的兩個優(yōu)點。
首先在匯編源程序中定義heap和堆棧的長度。關(guān)鍵詞SPACE用來保留一塊存儲器空間，NOINT則可以阻止清零操作(見表8)。注意在這里的源文件中并不需要地址標(biāo)號。
然后這些部分就可以在scatter文件中對應(yīng)的執(zhí)行區(qū)里定位了(見表9)。連接器產(chǎn)生的符號指向每一個執(zhí)行區(qū)的基地址和長度限制，這些符號可以被_user_initial_stackheap調(diào)用的重定向代碼使用。在代碼中使用DCD來給這些值定義更有意義的名字，可以增強代碼的可讀性(見表10)。
文件把heap基地址定位在0x15000，堆棧地址定位在0x4000。Heap和堆棧的位置可以通過編輯對應(yīng)執(zhí)行區(qū)的地址方便地改變?！?BR>