S3C2410的快速启动技术

2007-12-25 10:28:42

摘 要：介绍S3C2410处理器的快速启动技术，重点对系统硬件的初始化，二级中断向量表的复制，代码段的复制以及MMU管理进行了探讨，并且对具体的实现代码进行了分析，实现了系统从RAM中的高速启动运行。
关键词：S3C2410；快速启动；MMU

嵌入式系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等均有严格要求，以ARM体系结构为基础的各种RISC微处理器具有灵活的特性和强大的性能，在嵌入式系统中得到了广泛的应用。
S3C2410 是三星公司基于ARM920T设计的一款处理器，在开发基于S3C2410的系统的过程中，如何让系统快速稳定地启动是一个重要问题。嵌入式系统的资源有限，程序通常都是固化在ROM中运行。但在实际应用中，为提高系统的实时性，加快代码的执行速度，系统启动后程序往往要被搬移到RAM中，因为RAM的存取速度要比ROM快得多，这样大大提升系统的性能。启动程序要完成的任务包括：硬件初始化，系统存储系统的配置，复制二级中断向量表。

启动程序过程

系统硬件初始化
系统上电或复位后，程序从位于地址0x0的Reset Exception Vector处开始执行，因此需要在这里放置Bootloader的第一条指令：b ResetHandler，跳转到标号为ResetHandler处进行第一阶段的硬件初始化，主要内容为：关看门狗定时器，关中断，初始化PLL和时钟，初始化存储器系统。执行完以上程序后，系统进行堆栈和存储器的初始化。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。一般情况下，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。如果系统使用了外设，则需要设置相关的寄存器，以确定其刷新频率、总线宽度等信息。

代码段复制到RAM中运行
因为嵌入式系统的代码通常都是固化在ROM或者Flash中，上电后开始运行。由于ROM和Flash的读取速度相对较慢，这样无疑会降低代码的执行速度和系统的运行效率。为此，需要把系统的代码复制到RAM中运行。使用SDT链接器ARMLink产生的定位信息，把RO的有效代码和数据段到RAM中。 ARMLink将编译后的程序链接成ELF文件。映像文件内部共有三种输出段：RO段、RW段和ZI段。这三种输出段分别包含了只读代码及包含在代码段中的少量数据、可读写的数据、初始化为0的数据，ARMLink同时还产生了这三种输出段的起始和终止定位信息：Image$$RO$$Base、 Image$$RO$$Limit、Image$$RW$$Base、Image$$Limit、Image$$Linit和Image$$ZI$$ Limit。可以在程序中使用这些定位信息。将ROM中的代码和数据搬移到RAM中，具体程序如下。
LDR r0, =|Image$$RO$$Base| /*RO段起始地址*/
LDR r1, =|Image$$RO$$Limit| /*RO段结束地址*/
LDR r2, =|Image$$RW$$Base|
LDR r3, =|Image$$RW$$Limit|
/*分别求出需要映像的代码和数据的长度并累加，放到寄存器R1中*/
SUB r1, r1, r0
SUB r3, r3, r2
ADD r1, r1, r3
/*将需要映象的代码和数据复制到RAM中去*/
0 /*标示符*/
LDR r3, [r0], #4
STR r3, [r2], #4
SUBS r1, r1, #4
BNE %B0 /*如果没有复制完，跳转到0标示符处的汇编语句，继续复制，参见ARM指令帮助手册*/

建立二级中断向量表
在ARM 系统中，中断向量表位于0X0开始的地址处，意味着无论运行什么样的上层软件，一旦发生中断，程序就得到Flash存储器中的中断向量表里去，降低系统的运行效率。因此在RAM中建立自己的二级中断向量表，当中断发生后，程序直接从RAM中取中断向量进入中断子程序。尤其是在中断频繁发生的系统里，这种方法可以大大提高系统的运行效率，具体的实现代码如下。
b ResetHandler
b HandlerUndef /*未定义模式句柄*/
b HandlerSWI /*SWI中断句柄*/
b HandlerPabort /*PAbort中断句柄*/
b HandlerDabort /*Dabort中断句柄*/
b. /*保留*/
b HandlerIRQ /*IRQ 中断句柄*/
b HandlerFIQ /*FIQ中断句柄*/
HandlerFIQ HANDLER HandleFIQ
HandlerIRQ HANDLER HandleIRQ
HandlerUndef HANDLER HandleUndef
HandlerSWI HANDLER HandleSWI
HandlerDabort HANDLER HandleDabort
HandlerPabort HANDLER HandlePabort
其中HANDLER是一个宏，用于查找中断处理程序的入口地址。这些地址存放在由HandleXXX指向的表项中，该表定位在RAM高端，基地址为_ISR_STARTADDRESS。
^ _ISR_STARTADDRESS
HandleReset # 4
HandleUndef # 4
HandleSWI # 4
HandlePabort # 4
HandleDabort # 4
HandleReserved # 4
HandleIRQ # 4
HandleFIQ # 4

MMU的应用

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内还是在大容量外部存储器设备内。如果数据不在存储空间内，MMU将产生页面错误中断。MMU存储器系统的结构允许对存储器系统的精细控制，大部分的控制细节由存在存储器中的转换表提供。这些表的入口定义了从1KB～1MB 的各种存储器区域的属性。MMU完成的两个主要功能是：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。
经过以上的分析可以发现，系统启动程序主要是完成了硬件的初始化，以及克服Flash或ROM读取速度慢的弱点，提高指令和数据的读取速度，实现系统的高速运行，并且通过MMU的应用，减少RAM的使用，降低系统成本。

参考文献
1 S3C2410数据手册
2 ARM920T数据手册
3 王京林.ARM7在嵌入式应用中启动程序的实现