ARM7在嵌入式应用中启动程序的实现

嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，随着嵌入式系统不断深入到人们生活中的各个领域，嵌入式处理器得到前所未有的飞速发展。

典型的32位RISC芯片──ARM处理器,不论是在PDA,STB,DVD等消费类电子产品中,还是在GPS,航空,勘探,测量等军方产品中都得到了广泛的应用。越来越多的芯片厂商早已看好ARM的前景，如Intel，NS，Ateml，Philips，NEC，CirrusLogic等公司都有相应的产品。在1999年，ARM突破1.5亿个，市场份额超过了50%，已经成为业界的龙头。

在我们研制开发基于ARM7的嵌入式系统过程中，发现技术难点主要在于系统启动程序的编写，为此本文详细论述了在ARM7基础上开发嵌入式系统时启动程序的实现。

1.启动程序流程

嵌入式系统的资源有限,程序通常都是固化在ROM中运行。ROM中程序执行前，需要对系统硬件和软件运行环境进行初始化，这些工作由用汇编语言编写的启动程序完成。

启动程序是嵌入式程序的开头部分，应与应用程序一起固化在ROM中，并首先在系统上运行。它应包含进各模块中可能出现的所有段类，并合理安排它们的次序。

写好启动程序是设计好嵌入式程序的关键,系统启动程序所执行的操作依赖于正在开发其软件的系统，一般流程如下:

2．详细步骤

⑴设置入口指针

启动程序首先必须定义入口指针，而且整个应用程序只有一个入口指针。

有些芯片可通过寄存器编程初始化存储器系统，而对于较复杂系统通常集成有MMU来管理内存空间。

⑸ 如有必要改变处理器模式、状态

如果系统应用程序是运行在用户模式下，可在此处将系统改为用户模式并初始化用户堆栈指针。

ARM有两种指令集:16位THUMB指令集和32位ARM指令集。使用16位的存储器可以降低成本， 在这种情况下，Thumb指令集的整体执行速度比ARM 32位指令集快，而且提高了代码密度，所以一般用Thumb编译器将C语言程序编译成16位的代码。 处理器一开始总在arm状态，可使用BX指令转换到thumb状态呼叫C程序。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。

3．技术难点分析

⑴.MMU的使用

MMU是存储器管理单元的缩写，是用来管理虚拟内存系统的器件。MMU通常是CPU的一部分，本身有少量存储空间存放从虚拟地址到物理地址的匹配表。此表称作TLB(转换旁置缓冲区)。所有数据请求都送往MMU，由MMU决定数据是在RAM内还是在大容量存储器设备内。如果数据不在存储空间内，MMU将产生页面错误中断。

MMU的两个主要功能是:

在实践中，使用MMU解决了如下几个问题

①使用DRAM作为大容量存储器时，如果DRAM的行列是非平方的，会导致该DRAM的物理地址不连续，这将给程序的编写调试造成极大不便，而适当配置MMU可将其转换成虚拟地址连续的空间。

②ARM内核的中断向量表要求放在0地址， 对于ROM在0地址的情况，无法调试中断服务程序，所以在调试阶段有必要将可读写的存储器空间映射到0地址。

③系统的某些地址段是不允许被访问的，否则会产生不可预料的后果,为了避免这类错误,可以通过MMU匹配表的设置将这些地址段设为用户不可存取类型。

启动程序中生成的匹配表中包含地址映射，存储页大小(1M,64K,或4K)以及是否允许存取等信息。

例如:目标板上的16兆DRAM的物理地址区间为0xc000，0000～0xc07f，ffff;0xc100，0000～0xc17f，ffff;16兆ROM的虚拟地址区间为:0x0000，0000～0x00ff，ffff。匹配表配置如下:

可以看到左边是连续的虚拟地址空间，右边是不连续的物理地址空间，而且将DRAM映射到了0地址区间。 MMU通过虚拟地址和页面表位置信息，按照转换逻辑获得对应物理地址，输出到地址总线上。

应注意到的是使能MMU后，程序继续运行，但是对于程序员来说程序计数器的指针已经改变，指向了ROM所对应的虚拟地址。