ARM啓動過程(Cortex-M4 NXP QN9080爲例)

CMSIS 到底是什麼

CMSIS的意思是Cortex Micro-controller Software Interface Standard，微控制器軟件接口標準， 是 Cortex-M 處理器系列的與供應商無關的硬件抽象層。CMSIS 可實現與處理器和外設之間的一致且簡單的軟件接口，從而簡化軟件的重用，縮短微控制器開發人員新手的學習過程，並縮短新設備的上市時間。

如何使用CMSIS，需要哪些文件？

以Freescale Kinetis L系列舉例。
獨立於編譯器的文件：
● Cortex-M3內核及其設備文件(core_cm3.h + core_cm3.c)
─ 訪問Cortex-M0內核及其設備：NVIC等
─ 訪問Cortex-M0的CPU寄存器和內核外設的函數

● 微控制器專用頭文件(device.h) - MKL25Z4.h
─ 指定中斷號碼(與啓動文件一致)
─ 外設寄存器定義(寄存器的基地址和佈局)
─ 控制微控制器其他特有的功能的函數(可選)

● 微控制器專用系統文件( system_device.c) – system_MKL25Z4.h + system_MKL25Z4 .c
─ 函數SystemInit，用來初始化微控制器
–函數 void SystemCoreClockUpdate (void); 用於獲取內核時鐘頻率
─SystemCoreClock，該值代表系統時鐘頻率
─ 微控制器的其他功能(可選)

● 編譯器啓動代碼(彙編或者C)( startup_device.s) - startup_MKL25Z4.s for Keil
─ 微控制器專用的中斷處理程序列表(與頭文件一致)

以QN9080的啓動文件進行ARM啓動流程講解

startup_QN908X.s

                PRESERVE8  //PRESERVE8指定了以下的代碼位8字節對齊
                THUMB  //THUMB指定了接下來的代碼爲THUMB指令集

; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
                AREA    RESET, DATA, READONLY  //此語句聲明RESET數據段
                EXPORT  __Vectors  //導出向量表標號，EXPORT作用類似於C語言中的extern
                IMPORT  |Image$$ARM_LIB_STACK$$ZI$$Limit|

__Vectors       DCD     |Image$$ARM_LIB_STACK$$ZI$$Limit| ; Top of Stack
                DCD     Reset_Handler               ; Reset Handler

                DCD     NMI_Handler
                DCD     HardFault_Handler
                DCD     MemManage_Handler
                DCD     BusFault_Handler
                DCD     UsageFault_Handler

; Reset Handler

Reset_Handler   
PROC
                EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
                IMPORT  SystemInit
                IMPORT  __main
                LDR     R0, =SystemInit //系統初始化
                BLX     R0
                LDR     R0, =__main
                BX      R0
                ENDP

QN908X.scf

LR_m_text m_interrupts_start m_text_start+m_text_size-m_interrupts_start  //加載區 名稱 起始地址 地址範圍  
{ ; load region size_region
  VECTOR_ROM m_interrupts_start m_interrupts_size //執行區名稱 起始地址 地址範圍 
 { ; load address = execution address //執行域和加載域一致
    * (RESET,+FIRST) //將RESET代碼放在區首，最開始執行 FIRST屬性符表示放在最開始  
  }
  ER_m_text m_text_start m_text_size  {  ; load address = execution address//執行域和加載域一致
    * (InRoot$$Sections)
    .ANY (+RO) //只讀代碼和數據放在此區域  
  }

#if (defined(__ram_vector_table__))
  VECTOR_RAM m_interrupts_ram_start EMPTY m_interrupts_ram_size {
  }
#else
  VECTOR_RAM m_interrupts_start EMPTY 0 {
  }
#endif
  RW_m_data m_data_start m_data_size-Stack_Size-Heap_Size { ; RW data
    .ANY (+RW +ZI)   //RW,ZI 放入此處  
    *(in_ram)
  }
  ARM_LIB_HEAP +0 EMPTY Heap_Size {    ; Heap region growing up  //+0其實就是從前面一個域的末地址開始
  }
  ;ARM_LIB_STACK m_data_start+m_data_size EMPTY -Stack_Size { ; Stack region growing down //-Stack_Size 棧由高地址向低地址
  ARM_LIB_STACK +0 ALIGN 8 EMPTY Stack_Size { ; Stack region growing up
  }
}

.map文件

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Memory Map of the image

  Image Entry point : 0x00000111

  Load Region LR_m_text (Base: 0x00000000, Size: 0x00004ba0, Max: 0x0007d800, ABSOLUTE)

    Execution Region VECTOR_ROM (Base: 0x00000000, Size: 0x00000110, Max: 0x00000110, ABSOLUTE)

    Base Addr    Size         Type   Attr      Idx    E Section Name        Object

    0x00000000   0x00000110   Data   RO            4    RESET               startup_qn908x.o


    Execution Region ER_m_text (Base: 0x00000110, Size: 0x000049ec, Max: 0x0007d6f0, ABSOLUTE)

    Base Addr    Size         Type   Attr      Idx    E Section Name        Object

    0x00000110   0x00000000   Code   RO         1650  * .ARM.Collect$$$$00000000  mc_w.l(entry.o)
    0x00000110   0x00000004   Code   RO         1782    .ARM.Collect$$$$00000003  mc_w.l(entry4.o)
    0x00000114   0x00000004   Code   RO         1785    .ARM.Collect$$$$00000004  mc_w.l(entry5.o)
    0x00000118   0x00000000   Code   RO         1787    .ARM.Collect$$$$00000008  mc_w.l(entry7b.o)
    0x00000118   0x00000000   Code   RO         1789    .ARM.Collect$$$$0000000A  mc_w.l(entry8b.o)
    0x00000118   0x00000008   Code   RO         1790    .ARM.Collect$$$$0000000B  mc_w.l(entry9a.o)
    0x00000120   0x00000000   Code   RO         1792    .ARM.Collect$$$$0000000D  mc_w.l(entry10a.o)
    0x00000120   0x00000000   Code   RO         1794    .ARM.Collect$$$$0000000F  mc_w.l(entry11a.o)
    0x00000120   0x00000004   Code   RO         1783    .ARM.Collect$$$$00002714  mc_w.l(entry4.o)
    0x00000124   0x00000180   Code   RO            5    .text               startup_qn908x.o
......
    Execution Region VECTOR_RAM (Base: 0x04000400, Size: 0x00000110, Max: 0x00000110, ABSOLUTE)

    Base Addr    Size         Type   Attr      Idx    E Section Name        Object

    0x04000400   0x00000110   Zero   RW            1    VECTOR_RAM.bss      anon$$obj.o


    Execution Region RW_m_data (Base: 0x04000510, Size: 0x000001d0, Max: 0x0001f2f0, ABSOLUTE)

    Base Addr    Size         Type   Attr      Idx    E Section Name        Object

    0x04000510   0x00000038   Data   RW          334    .data               multitimer.o
    0x04000548   0x00000008   Data   RW          506    .data               fsl_debug_console.o
    0x04000550   0x00000048   Data   RW          615    .data               pin_mux.o
    0x04000598   0x00000001   Data   RW         1129    .data               fsl_clock.o
    0x04000599   0x00000003   PAD
    0x0400059c   0x0000000c   Data   RW         1530    .data               fsl_qn_qdec_ex_function.o
    0x040005a8   0x00000004   Data   RW         1808    .data               mc_w.l(mvars.o)
    0x040005ac   0x00000004   Data   RW         1813    .data               mc_w.l(errno.o)
    0x040005b0   0x00000100   Zero   RW          114    .bss                unity.o
    0x040006b0   0x00000010   Zero   RW          505    .bss                fsl_debug_console.o
    0x040006c0   0x00000020   Zero   RW          889    .bss                fsl_flexcomm.o


    Execution Region ARM_LIB_HEAP (Base: 0x040006e0, Size: 0x00000000, Max: 0x00000000, ABSOLUTE)

    Base Addr    Size         Type   Attr      Idx    E Section Name        Object

    0x040006e0   0x00000000   Zero   RW            2    ARM_LIB_HEAP.bss    anon$$obj.o


    Execution Region ARM_LIB_STACK (Base: 0x040006e0, Size: 0x00000800, Max: 0x00000800, ABSOLUTE)

    Base Addr    Size         Type   Attr      Idx    E Section Name        Object

    0x040006e0   0x00000800   Zero   RW            3    ARM_LIB_STACK.bss   anon$$obj.o

你可以對比的看.scf 和.map文件，.map文件就是依據.scf文件來進行加載域和執行域的確定的。

我們可以看到VECTOR_ROM和ER_m_text的兩個加載域和執行域是一致的。

這個圖是我網上找的，具體地址界限並不和上面的程序一致。
下面我把具體的啓動流程列出來:

• 復位狀態後，CM4的第一件事就是讀取下列兩個 32位整數的值：
  （1）從地址0x0000,0000處取出 MSP 的初始值。
  （2）從地址0x0000,0004處取出 PC的初始值——這個值是復位向量，LSB 必須是1 。 然後從這個值所對應的地址處取指。
  
  注意，這與傳統的ARM 架構不同——其實也和絕大多數的其它單片機不同。傳統的RM 架構總是從 0 地址開始執行第一條指令。它們的 0 地址處總是一條跳轉指令。在 CM3中，0 地址處提供 MSP 的初始值，然後就是向量表（向量表在以後還可以被移至其它位置）。
  
  CM3上電後的向量表

• 在復位函數裏做一些系統的初始化: MSP賦值，SystemInit
  arm的啓動代碼一般是用匯編寫的，在堆棧建立以後纔可以運行C代碼，因爲C函數調用需要把參數，函數返回地址入棧，堆棧沒有建立是不能運行C代碼的。
  這裏的SystemInit雖然在.c文件裏，但內部代碼全是對寄存器的操作，本身也沒有參數和返回值，所有編譯出來全是代碼段，沒有變量什麼的。所以不會因爲堆棧還沒有建立就不能執行。

• 然後調用系統函數__main(); (IAR跳轉到__iar_program_start）

• _main 直接跳轉到 __scatterload，__scatterload 執行代碼和數據複製以及 ZI 數據的清零。根據分散加載文件，拷貝RW數據到RAM,在RAM空間裏建立ZI的數據空間，建立運行時的映像存儲器映射.

• 然後跳轉到 __rt_entry（運行時的入口）則負責初始化 C 庫。還設置應用程序的棧和堆，初始化庫函數及其靜態數據。

• 這時應用程序的堆棧建立了，跳轉到main()函數，運行用戶代碼。

上面startup中的|Image$$ARM_LIB_STACK$$ZI$$Limit| 什麼意思？？？

__Vectors 第一個DCD就是 |Image$$ARM_LIB_STACK$$ZI$$Limit|
這是什麼意思呢？這時候可以求助KEIL的Help工具。

在Linker User Guide的7.1.4中講解了如何在分散加載文件scatter中指定棧和堆。

當你在分散加載文件中定義了兩個自定義的執行域ARM_LIB_HEAP和ARM_LIB_STACK，這會引起ARM的library去用 |Image$$ARM_LIB_STACK$$ZI$$Limit|的值來執行__user_setup_stackheap()函數。

|Image$$ARM_LIB_STACK$$ZI$$Limit|
的意思是Address of the byte beyond the end of the ZI output section in the execution region.
在執行域的ZI域後面初始化棧。