专题5-核心初始化
第1课-异常向量表
一．概念解析
- 异常定义
因为内部或者外部的一些事，导致处理器停下正在处理的工作，转而出处理这些发生的事件。
- 异常类型
Arm处理器有七种异常类型，依次是：重启键，用户自己的命令未识别，软中断，预取指令识别，取数据失败，中断，快速中断。
- 异常向量
当一种异常发生的时候，ARM处理器会跳转到对应异常的固定地址去执行异常处理程序，而这个固定的地址，就称为异常向量。
- 向量表
由七个异常向量以及其处理函数跳转关系组成的表就是异常向量表：
0x00000000: b reset
0x00000004: ldr pc, _undefined_instruction
0x00000008: ldr pc, -software_interrupt
0x0000000c: ldr pc, _prefetch_abort
0x00000010: ldr pc, _data_abort
0x00000014: ldr pc, _not_used
0x00000018: ldr pc, _irq
0x0000001c: ldr pc, _lrq
二．代码编写
start.s
gboot.lds
makefile
start.S
.text
.global _start
_start:
b reset
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq
ldr pc, _fiq
_undefined_instruction: .word undefined_instruction @使得伪指令变成了装载指令
_software_interrupt: .word software_interrupt
_prefetch_abort: .word prefetch_abort
_data_abort: .word data_abort
_not_used: .word not_used
_irq: .word irq
_fiq: .word fiq
undefined_instruction:
nop
software_interrupt:
nop
prefetch_abort:
nop
data_abort:
nop
not_used:
nop
irq:
nop
fiq:
nop
reset:
nop
gboot.lds
OUTPUT_ARCH(arm) //宏定义，输出格式是arm的
ENTRY(_start) //宏定义，输出程序的入口
SECTIONS {
. = 0x30008000; //起始地址
. = ALIGN(4); //四字节，对齐的处理
.text : //代码段
{
start.o (.text)
*(.text)
}
. = ALIGN(4);
.data : //数据段
{
*(.data)
}
. = ALIGN(4);
bss_start = .;
.bss : //bss段
{
*(.bss)
}
bss_end = .;
}
makefile
all: start.o
arm-linux-ld -Tgboot.lds -o gboot.elf $^
arm-linux-objcopy -O binary gboot.elf gboot.bin
%.o : %.S
arm-linux-gcc -g -c $^ //通用规则
%.o : %.c
arm-linux-gcc -g -c $^
.PHONY: clean
clean:
rm *.o *.elf *.bin
三． 210处理器BL1头信息添加
我们编写的gboot充当BL1的作用，在210的irom中自带BL0，上电后率先运行的就是BL0，在BL0运行之后会进行一个校验。BL1之前是有16个字节的头的，LB0将BL1拷贝到irom里面后，会通过对BL1的计算，得到校验码。将这个经验吗和在BL1的头中填入的校验码进行比对，若是比对结果一样，BL1可以运行；若是不一样就BL1就不能运行，若BL1之中没有头文件，肯定BL1就不会运行。头文件格式如下：
0x0写的是：BL1的大小；
0x4没有用到；
0x8写的是用户写入的校验码大小；
0xc没有用到。
第2课-设置svc模式
这一部分不需要做2440、6410和210的区分
这是linux系统的其中工作模式，对于bootloader它的工作模式是supervisor，一种比较高级的工作模式，本节课的重点就是将处理它设置在supervisor模式。具体依靠的是程序状态字寄存器：
0-4字段设置的是工作模式，，将这5个字设置为10011就可以。
步骤：
（1）将这五个字段全部置零：bic
（2）将其中的三个字段置1：orr
（3）为了访问CPSR或者SPSR，需要使用mrs和msr
对start.s进行改动，如下：
.text
.global _start
_start:
b reset
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq
ldr pc, _fiq
_undefined_instruction: .word undefined_instruction
_software_interrupt: .word software_interrupt
_prefetch_abort: .word prefetch_abort
_data_abort: .word data_abort
_not_used: .word not_used
_irq: .word irq
_fiq: .word fiq
undefined_instruction:
nop
software_interrupt:
nop
prefetch_abort:
nop
data_abort:
nop
not_used:
nop
irq:
nop
fiq:
nop
reset:
bl set_svc
set_svc:
mrs r0, cpsr @从cpsr取值
bic r0, r0, #0x1f
orr r0, r0, #0xd3 @理论上是#0x13用来表示10011，这里用#0xd3来表示@11010011，设置I和F两位为1，屏蔽了中断与快速中断
msr cpsr, r0 @将值放在cpsr
mov pc, lr
第3课-关闭看门狗
- 作用
在嵌入式领域，有些系统需要长期运行在无人看守的环境。在运行的过程中，难免不出现系统死机的情况，这时候需要系统自带的一种自动重启的功能。Watchdaog一般是一个硬件模块，起作用就是在系统死机时，帮助系统实现自动重启。
- 工作方式
Watchdaog在在硬件上实现了计时功能，启动计时后，用户（软件）必须在计时结束前重新开始计时，俗称“喂狗”，如果到超时的时候还没有重新开始计时，那么它就认为系统是死机了，就自动重启系统。
- 原理图
时钟源经过WTCON[15:8]和WTCON[4:3]分频器的处理，得到我们需要的时钟信号，之后通过WTCNT进行计数，当它检测到0的时候，没有新的WTDAT信号来重置，下面通过WTCON[0]进行重启。
看门狗有这么好的作用，之所以要关闭看门狗，因为bootloader是一个简单的程序，一般是不需要使用的，使用它会增加“喂狗”的操作，增加系统而定负担。
我们通过寄存器来完成这个操作。
在2440中，寄存器名字为WTCON，如下：
在6410中，寄存器名字为WTCON，如下：
设置与2440一样。
在210中的WTCON的地址是0xE2700000，其他设置与2440一样。
- 代码实现
修改start.s的下半部分，如下：
reset:
bl set_svc
bl disable_watchdog
set_svc:
mrs r0, cpsr
bic r0, r0, #0x1f
orr r0, r0, #0xd3
msr cpsr, r0
mov pc, lr
#define pWTCON 0x53000000
disable_watchdog:
ldr r0, =pWTCON @把地址装载到r0
mov r1, #0x0 @mov只能访问通用寄存器，都设置为0
str r1, [r0] @将0的值都放在r0中
mov pc, lr
第4课-关闭中断
步骤：
（1） 在CPSR中将I位（中断位）和F位（快速中断位）设置为1，将它们关闭，这在我们设置svc模式的时候已经设置了#0xd3
（2） 设置中断屏蔽寄存器，把中断屏蔽掉
2440：
在s3c2440的芯片手册中，找到下图：
当中断请求前来的时候，会将请求指令记录在SRCPND里面，中断的请求要送到处理器，还要送到MASK寄存器，若将MASK（屏蔽寄存器）屏蔽掉请求信号，就不会有中断操作。在芯片手册的233页找到如下的内容：
这是32位的寄存器，将其中某一位写做1，对应的中断就会被屏蔽，也就是，将所有的位都置1就好了。
代码：
2440，将start.s作如下修改：
reset:
bl set_svc
bl disable_watchdog
bl disable_interrupt
set_svc:
mrs r0, cpsr
bic r0, r0,#0x1f
orr r0, r0,#0xd3
msr cpsr, r0
mov pc, lr
#define pWTCON 0x53000000
disable_watchdog:
ldr r0, =pWTCON
mov r1, #0x0
str r1, [r0]
mov pc, lr
disable_interrupt:
mvn r1, #0x0 @取反后赋值
ldr r0, =0x4a000008 @将寄存器地址记录下
str r1, [r0] @将值幅值给地址
mov pc, lr @返回原位置
6410：
6410中有两个中断使能寄存器，如下：
6410中有两个中断关闭寄存器，如下：
代码如下：
reset:
bl set_svc
bl disable_watchdog
bl disable_interrupt
set_svc:
mrs r0, cpsr
bic r0, r0,#0x1f
orr r0, r0,#0xd3
msr cpsr, r0
mov pc, lr
#define pWTCON 0x7e004000
disable_watchdog:
ldr r0, =pWTCON
mov r1, #0x0
str r1, [r0]
mov pc, lr
disable_interrupt:
mvn r1,#0x0
ldr r0,=0x71200014
str r1,[r0]
ldr r0,=0x71300014
str r1,[r0]
mov pc, lr
210：
210与6410类似都是采用向量中断，也分为使能IntEnable寄存器和屏蔽IntEnable寄存器。由于210分为更多功能的中断，它的屏蔽寄存器有4个，保存的地址分别是：
在6410基础上改写的代码是：
disable_interrupt:
mvn r1,#0x0
ldr r0,=0xf2000014
str r1,[r0]
ldr r0,=0xf2100014
str r1,[r0]
ldr r0,=0xf2200014
str r1,[r0]
ldr r0,=0xf2300014
str r1,[r0]
mov pc, lr
第5课-关闭mmu与cache
- ARM存储体系
金字塔顶端是各种寄存器，访问速度快但是数量有限；第二层是TCM，包括内存与cache，数量较多，但速度相对来说慢一些；辅助存储器数量更多，但是访问速度更加缓慢。
- cache
cache的存储图如下：
对比有无cache的访问主内存的方式，有cache的系统对主内存的访问效率更高。
cache是一种容量小但存取速度非常快的存储器，它保存最近用到的存储器中数据的拷贝。对于程序员来说，cache是透明的。它自动决定保存哪些数据、覆盖哪些数据。按照功能划分：
I-Cache: 指令Cache，用于存放指令
D-Cache：数据Cache，用于存放数据
对于2440的存储结构如下：
其中既有Data Cache有Instruction Cache，它们的大小都是16Kb。210中的连个cache大小是32KB。
- 虚拟地址
虚拟地址：程序中使用的地址。
物理地址：物理存储单元实际的地址
使用虚拟地址
-可以让进程使用更大的空间
-可以解决冲突
- mmu作用
在Arm11之前，根据虚拟地址就可访问cache，但是在Arm11本身包括之后的操作，需要实际的物理地址才能访问cache
- 关闭cache和mmu
mmu与cache的使用是需要一系列的配置才能使用的，并不是不用。只是在初始化的时候，必须将它们关闭，控制它们的是协处理器CP15。
2440：
在920核心手册里面，可以看到CP15有一个control register寄存器，它也是32位的寄存器，12位作用是Icache enable，第2为控制Dcache enable，第0位控制MMU，如下：
我们还要设置CP15里面的第7个寄存器，使得原本的数据无效，指令是：
MCR p15, 0, Rd, c7, c7, 0
步骤：
（1） 使Icache和Dcache失效
（2） 关闭Icache、Dcache和关闭mmu
修改start.s代码为：
reset:
bl set_svc
bl disable_watchdog
bl disable_interrupt
bl disable_mmu
disable_mmu:
mcr p15,0,r0,c7,c7,0 @使Icache和Dcache失效
mrc p15,0,r0,c1,c0,0 @将寄存器读出来，固定的格式，与下面的配对
bic r0, r0, #0x00000007 @使得第0和2位置零，12位可以不去处理
mcr p15,0,r0,c1,c0,0 @将寄存器写进去，固定的格式，与上面的配对
mov pc, lr @返回主函数的位置，bl将返回地址存在lr寄存器，当程序@运行结束，将返回地址传给pc指针
在6410与210的芯片上，CP15的结构是一样的，不用修改。