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
（1）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。
（2）设置中断向量
ARM7要求中断向量表必须设置在从0地址开始，连续8×4字节的空间，分别是复位、未定义指令错误、软件中断、预取指令错误、数据存取错误、IRQ、FIQ和一个保留的中断向量。
如果ROM定位于0地址，向量表包含一系列指令跳转到中断服务程序，否则向量必须被动态初始化。可以在启动程序中添加一段代码，使其在运行时将向量表拷贝到0地址开始的存储器空间。对于各未用中断，使其指向一个只含返回指令的哑函数，以防止错误中断引起系统的混乱。
（3）初始化堆栈和寄存器
系统堆栈初始化取决于用户使用了哪些中断，以及系统需要处理哪些错误类型。一般来说管理者堆栈必须设置，如果使用了IRQ中断，则IRQ堆栈也必须设置。如果系统使用了DRAM或其它外设，需要设置相关的寄存器，以确定其刷新频率，数据总线宽度等信息。
（4）初始化存储器系统
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。
（5）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。
（6）初始化C语言所需的存储器空间
为正确运行应用程序，在初始化期间应将系统需要读写的数据和变量从ROM拷贝到RAM里；一些要求快速响应的程序，如中断处理程序，也需要在RAM中运行；如果使用FLASH，对FLASH的擦除和写入操作也一定要在RAM里运行。ARM公司软件开发工具包中的链接器提供了分布装载功能，可以实现这一目的。
（7）呼叫C程序
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：将虚地址转换成物理地址;控制存储器存取允许。MMU关掉时，虚地址直接输出到物理地址总线。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。
（2）目标文件的分布装载分析
首先创建一个文本文件，称为分布装载描述文件。它为应用程序的各部分指定装载区间和执行区间。举例如下：
在ARM链接器的命令行里加入“-scov description-file –scf”或“-scatter description-file”，编译链接后，将产生一个分布装载文件。
链接器同时产生一组符号，给出每个分布描述文件中命名的区间的长度，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：
4．结束语：
本文介绍的启动程序已经在以Cirrus Logic公司的EP7211和Ateml公司的AT91M40400开发的系统上运行并测试通过。今后可以在这一基础上添加串行通信模块和FLASH操作模块，开发系统监控程序，从而实现应用程序的在线升级。
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
（1）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。
（2）设置中断向量
ARM7要求中断向量表必须设置在从0地址开始，连续8×4字节的空间，分别是复位、未定义指令错误、软件中断、预取指令错误、数据存取错误、IRQ、FIQ和一个保留的中断向量。
如果ROM定位于0地址，向量表包含一系列指令跳转到中断服务程序，否则向量必须被动态初始化。可以在启动程序中添加一段代码，使其在运行时将向量表拷贝到0地址开始的存储器空间。对于各未用中断，使其指向一个只含返回指令的哑函数，以防止错误中断引起系统的混乱。
（3）初始化堆栈和寄存器
系统堆栈初始化取决于用户使用了哪些中断，以及系统需要处理哪些错误类型。一般来说管理者堆栈必须设置，如果使用了IRQ中断，则IRQ堆栈也必须设置。如果系统使用了DRAM或其它外设，需要设置相关的寄存器，以确定其刷新频率，数据总线宽度等信息。
（4）初始化存储器系统
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。
（5）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。
（6）初始化C语言所需的存储器空间
为正确运行应用程序，在初始化期间应将系统需要读写的数据和变量从ROM拷贝到RAM里；一些要求快速响应的程序，如中断处理程序，也需要在RAM中运行；如果使用FLASH，对FLASH的擦除和写入操作也一定要在RAM里运行。ARM公司软件开发工具包中的链接器提供了分布装载功能，可以实现这一目的。
（7）呼叫C程序
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：将虚地址转换成物理地址;控制存储器存取允许。MMU关掉时，虚地址直接输出到物理地址总线。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。
（2）目标文件的分布装载分析
首先创建一个文本文件，称为分布装载描述文件。它为应用程序的各部分指定装载区间和执行区间。举例如下：
在ARM链接器的命令行里加入“-scov description-file –scf”或“-scatter description-file”，编译链接后，将产生一个分布装载文件。
链接器同时产生一组符号，给出每个分布描述文件中命名的区间的长度，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：
4．结束语：
本文介绍的启动程序已经在以Cirrus Logic公司的EP7211和Ateml公司的AT91M40400开发的系统上运行并测试通过。今后可以在这一基础上添加串行通信模块和FLASH操作模块，开发系统监控程序，从而实现应用程序的在线升级。
举报
