[架构之路-121]-《软考-系统架构设计师》-计算机体系结构 -3-汇编语言与ARM系统的初始化

Posted 2023-03-07 文火冰糖的硅基工坊

第9章 计算机体系结构

第1-6节 参考前文

第7节 ARM汇编语言

7.1 程序框架

（1）数据段Data

• 初始化的数据： 初始的全局变量

• 未初始化的数据：未初始化的全局变量

• 堆heap：malloc的内存或数据

• 栈stack：函数的局部变量

（2）代码段Text：只读

7.2 ARM汇编语言基本框架

.data：数据段，包含固定的数据，如常量、字符串。

.bss：未初始化的数据段，包含未初始化的变量、数组等

.text：正文段，包含程序的指令代码。

; ARM汇编程序的框架结构（完整）

.section .data; 初始化的数据
.section .bss; 未初始化的数据

.section .text _start:; 汇编代码

; ARM汇编程序的框架结构（简化）

.text_global _start

_start:; 汇编代码

_start: 程序的入口

7.3 子程序编写

ARM汇编中，子程序的调用一般通过BL指令来实现，执行BL + 子程序即可完成子程序调用（之后细讲），而子程序的编写规则如下：function

function:; demomov pc, bl

7.4 汇编指令分类

第8节 ARM CPU的初始化：中断/内存/堆栈/模式

8.1 ARM的启动流程

基于ARM的芯片多数为复杂的片上系统。这种复杂系统里的多数硬件模块都是可配置的。

需要由软件来设置其需要的工作状态。因此在操作系统和用户的应用程序之前，需要由专门的一段代码来完成对系统的初始化。

由于这类代码直接面对处理器内核和硬件控制器进行编程，一般都是用汇编语言。

一般通用的内容包括：

• 中断向量表

• 初始化存储器系统

• 初始化堆栈

• 初始化有特殊要求的端口,设备

• 初始化用户程序执行环境

• 改变处理器模式

• 调用主应用程序

8.2 ARM的启动文件

以stm32的启动文件为例，stm32的启动文件一般都是包含在具体单片机型号的汇编文件中（.s文件），下图为启动文件的简述(description)

该启动文件主要包含了：

• 初始化主堆栈指针（MSP）、

• 初始化程序指针（PC）、

• 初始化中断向量表、

• 配置系统时钟

• 外部Sram（可选）、

• 跳转到c语言的main函数

8.3 启动文件代码具体分析

8.3.1 分配堆栈空间

第一部分配置堆内容和栈的大小（Stack_size Heap_size） 如下图

AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3 ；定义栈，可初始为0，8字节对齐 (堆代码类似相同功能)

Stack_Mem SPACE Stack_Size ；分配0x400个连续字节，并初始化为0 (堆代码类似相同功能)

__initial_sp ；汇编代码地址标号 (堆代码类似相同功能)

PRESERVE8 ；指定当前文件堆栈8字节对齐

THUMB ；告诉汇编器下面是32为的Thumb指令，如果需要汇编器将插入位以保证对齐

8.3.2 定义中断向量标

第二部分定义中断向量表：

AREA RESET, DATA, READONLY ;定义复位向量段，只读

EXPORT __Vectors ；定义一个可以在其他文件中使用的全局标号。此处表示中断地址

__Vectors DCD __initial_sp ; 给__initial_sp分配4字节32位的地址0x0

DCD Reset_Handler ; 给标号Reset Handler分配地址为0x00000004

DCD NMI_Handler ; 给标号NMI Handler分配地址0x00000008

DCD HardFault_Handler ; Hard Fault Handler

DCD ……

__Vectors_End

【注】DCD表示分配一段内存单元，并用指令的数据初始化

8.3.3 复位向量程序

第三部分Reset_Handler 及假异常处理程序的定义

AREA |.text|, CODE, READONLY ；代码段定义为只读

Reset_Handler PROC

EXPORT Reset_Handler [WEAK]

IMPORT SystemInit

IMPORT __main

LDR R0, =SystemInit//把SystemInit 的地址加载到寄存器R0。

BLX R0//程序跳转到R0 中的地址执行程序

LDR R0, =__main//把_main 的地址加载到寄存器R0

BX R0//程序跳转到R0 中的地址执行程序，执行完毕之后就去到我们熟知的C 世界。

ENDP//表示子程序的结束

//PROC 定义了一个叫 Reset_Handler 的子程序

//EXPORT 表示Reset_Handler 这个子程序可供其他模块调用

//关键字[WEAK] 表示弱定义，如果编译器发现在别处定义了同名的函数，则在链接时用别处的地址进行链接，如果其它地方没有定义，编译器也不报错，以此处地址进行链接。

//IMPORT通知编译器要使用的标号在其他文件

//SystemInit为运行时库提供的函数，完成系统初始化

//__main为运行时库提供的函数,完成堆栈,堆的初始化

其他的中断处理子程序称为假异常处理子程序（ Dummy Exception Handlers）默认为死循环可以被重新定义

NMI_Handler PROC

EXPORT NMI_Handler [WEAK]

B .//原地跳转（死循环）

ENDP

8.3.4 初始化堆和栈指针

第四部分堆和栈的初始化

IF :DEF:__MICROLIB//“DEF”的用法——:DEF:X 就是说X定义了则为真，否则为假//__MICROLIB编译选项表示是否受用了MICROLIB的C库而非标准C库

EXPORT __initial_sp

EXPORT __heap_base

EXPORT __heap_limit

ELSE

IMPORT __use_two_region_memory

EXPORT __user_initial_stackheap

__user_initial_stackheap

LDR R0, = Heap_Mem//R0地址指向堆起始地址

LDR R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)//R1地址指向栈最高地址

LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size)//R2地址指向堆最高地址

LDR R3, = Stack_Mem//R1地址指向栈起始地址

BX LR

ALIGN

ENDIF

END

第9节 ARM 软件启动流程

9.1 总体启动框架

以三星的四核处理器Exynos4412为例，该开发板属于armv7架构，contexA9系列，32bit，cpu4核心1.5GHZ主频，eMMC 大小型号为：KLM4G。

ARM里面，启动MMU以后，我们编程看到的地址都是虚拟地址，经过MMU以后才是具体的物理地址。

4412在上电以后，MMU是关闭的，也就是说这个时候其实和单片机差不多，可以直接跑裸机程序（裸机程序，就是直接对CPU进行编程），就跟单片机一样，但是，在Linux启动以后，操作系统就会把MMU打开，也就是说，虚拟地址就会出现。