【正文】 ...........................................................................４８ 擴展功能的功能性測試數據 ...........................................................４８ 程序的可移植性 ............................................................................４８ 第六章 總結與展望 ..............................................................................................４９ 緒言 緒言 1. 研究背景 隨著人民生活水平提高帶來巨大的消費需求、信息化進程的推進、電信運營業(yè)的發(fā)展，信息產業(yè)市場空間將得到進一步拓展。在這 良好的經濟環(huán)境下，嵌入式系統(tǒng)領域得到進一步的拓寬與發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可剪裁來適應系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術、電子技術和各行業(yè)的具體應用相結合后的產物，它是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)廣泛地應用在信息終端、工業(yè)控制和信息家電等領域。 在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中，嵌入式軟件是實現各種系統(tǒng)功能的關鍵，也是計算機技術最活躍的研究方向之一。不同應用對嵌入式軟件系統(tǒng)有 不同的要求，并且隨著計算機技術的發(fā)展，這些要求也在不斷變化。通常，應用系統(tǒng)對嵌入式軟件的基本要求是體積小、執(zhí)行速度快、具有較好的可剪裁性和可移植性。特別地，現在對嵌入式軟件來說，都需要操作系統(tǒng)的支持。簡單的嵌入式系統(tǒng)根本沒有操作系統(tǒng)，而只是一個控制循環(huán)。但是，當系統(tǒng)變得越來越復雜時，就需要一個嵌入式操作系統(tǒng)來支持，否則應用軟件就會變得過于復雜，使開發(fā)難度過大，安全性和可靠性都難以保證。 嵌入式軟件，特別是操作系統(tǒng)的支持，使得對硬件的要求越來越高。針對嵌入式系統(tǒng)的各種微處理器遍布各個角落。特別是采用 ARM 技術 IP 核的各種微處理器遍及各類產品市場。 ARM 技術以其較高的性能和功效，使得在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應用。世界上幾乎所有的主要半導體廠商都生產基于 ARM 體系結構的通用芯片，如 TI， Motorola， Intel， NS，Ateml， Philips， SAMSUNG 等。目前， ARM 芯片廣泛應用于無線產品、 PDA、 GPS、網絡、消費電子產品、 STB 及智能卡。應該說， ARM 無處不在。 隨著嵌入式產品中高端微處理器 ARM 的加入以及軟件上操作系統(tǒng)的支持，使得整個嵌入式系統(tǒng)擁有了完整的構架?，F在，專門為嵌入式產品開發(fā)的各個操作系 統(tǒng)層出不窮，WINDOW CE， POCKET PC， Linux 等等，各界關注地也特別多。然而，如何進行加載操作系統(tǒng)這個問題卻很少有人提出。這就產生了另一個相關主題 bootloader。 Bootloader 本身的功能就是引導與加載內核鏡像。如何實現 bootloader 的基本功能，如何針對基于 ARM 體系的微處理器來實現 bootloader，就成為本課題的一個基本論題。，除了基本功能， bootloader還能有什么更加具體的擴展功能來方便各個系統(tǒng)開發(fā)者，都屬于本課題討論的范疇。 2. 主要研究工作 本文的題目盡 管涉及到 ARM 系統(tǒng)，但是，由于 bootloader 的特殊性以及個別性，即bootloader 與具體的處理器以及具體的硬件系統(tǒng)緊密聯系在一起，需要實際的完整硬件系統(tǒng)支持，而基于 ARM 體系的芯片實在太多，每款芯片除了具有基本的 ARM 體系結構的通性外，通常還具有各自獨特的特性，還需分別處理。因此，在真正的開發(fā)環(huán)節(jié)上，本課題主要基于 Intel Xscale 體系構架的 PXA255 處理器， Xscale 本身是與 ARM V5TE 構架兼容的，因此很具有代表性，并由此在理論上擴展到整個 ARM 系統(tǒng)。 緒言 在實現過程中具體研究開發(fā)如下 ： ? 選擇基于 Intel Xscale 構架的 PXA255 芯片作為處理器，并以此構建一套硬件開發(fā)系統(tǒng) ? 與實際項目接軌，選擇 GNU 的 linux 作為系統(tǒng)的操作系統(tǒng) ? 在上述軟硬件開發(fā)系統(tǒng)上實現基于 PXA255 的 bootloader 的基本功能，即引導加載內核鏡像的功能 ? 在實現 bootloader 基本功能的基礎上，增加 bootloader 的擴展功能，包括：通過串口打印調試信息、通過串口更新鏡像、通過 USB 接口更新鏡像、實現 bootloader加載模式與下載模式的轉換以及實現對 FLASH 的擦寫操作支持 ? 在 Xscale 的構架 基礎上在理論上擴展到 ARM 系統(tǒng)，分析對于 ARM 系統(tǒng)，bootloader 實現的一些共性以及一些限制 ? 分析對于實現 bootloader，移植到其他 ARM 平臺的相關處理 3. 主要內容 根據所涉及的主要研究工作，本文的內容主要包括一下幾個部分：第一章簡要敘述 ARM世界的一些主流處理器以及其優(yōu)勢特點；緊接著第二章則詳細描述了 ARM 的體系結構，指令系統(tǒng)并在此基礎上簡單的描述了一下 PXA255 的相關結構；第三章的內容是介紹bootloader 的概念，并專門針對 ARM bootloader 進行了詳細說明；第四章在首先 介紹軟硬件平臺之后詳細介紹了 bootloadr 的實現，包括基本功能，擴展功能等，以及軟件上的編譯連接的實現，代碼組織結構等；第五章針對第四章的實現，對結果進行分析以及擴展功能的一些數據測試，以及如何在實現的 bootloader 基礎上進行移植；最后一章進行一下總結與展望。 第一章， 簡單闡述 ARM 的發(fā)展，基于 ARM 體系的各類主流處理器以及 ARM 的優(yōu)勢特點。 第二章， 詳細描述了 ARM 的體系結構，包括 ARM 編程模型方面的內容，簡單介紹了 ARM core， ARM 最小系統(tǒng)的組成以及硬件系統(tǒng)相關的 PXA255 處理器的介紹。 第三章， 闡述 bootloader 的一些基本概念以及 ARM bootloader 的一些共性。 第四章， 簡單介紹了其實現的軟硬件平臺，詳細介紹了基于 PXA255 處理器的bootloader 基本功能的實現以及擴展功能的實現以及軟件上編譯連接的處理。 第五章， 實驗結果的一些分析與測評，包括一些測試數據以及程序的穩(wěn)定性與可移植性、剪裁性的分析。 第六章， 總結與展望。 第一章 ARM 簡介 嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。目前據不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式處理器的品種總量已經超過 1000 多種，流行體系結構有 30 多個系列。嵌入式微處理目前主要有 Am186/8 386EX、 SC400、 Power PC、 MIPS、 ARM 系列等。 其中， ARM 是一種今年來在嵌入式系統(tǒng)中有著強大影響力的微處理器設計商和制造商，ARM 的設計非常適合與小的電源供電系統(tǒng)。特別是，隨著近年來，微處理器結構由 RISC（精簡指令集）全面取代傳統(tǒng)的 CISC（復雜指令集），因為 ARM 是著名的 RISC 的擁護者。 ARM 簡介 ARM（ Advanced RISC Machines），既可以認為是一個公司的名字，也可以是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字。 1991 年 ARM 公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術的授權。目前，采用 ARM技術只是產權（ IP）核的微處理器，即通常我們所說的 ARM 微處理器，已經遍及工業(yè)控制、消費類電子產品、通信系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產品市場，基于 ARM 技術的微處理應用約占據了 32 位 RISC 微處理器 75％以上的市場份額， ARM 技術正在逐步滲入我們生活的各個方面。 ARM 公司是專門從事基于 RISC 技術芯片設計開發(fā)的公司，作為知識產權供應商，本身不直接從事芯片生產，靠轉讓設計許可由合作公司生長各具特色的芯片。世界各大半導體生產商從 ARM 公 司購買其設計的 ARM 微處理器核，根據各自不同的應用領域，加入適當的外圍電路，從而形成自己的 ARM 微處理器芯片進入市場。目前，全世界有幾十家大的半導體公司都使用 ARM 公司的授權，因此既使得 ARM 技術獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使得整個系統(tǒng)成本降低，使產品更容易進入市場被消費者所接受，更具有競爭力。 ARM 處理器介紹 ARM 處理器目前包括下面幾個系列的處理器產品以及其他廠商實現的基于 ARM 體系結構的處理器： ARM7 系列、 ARM9 系列、 ARM9E 系列、 ARM10E 系列、 SecurCore 系列、Intel 的 Xscale 系列、 Intel 的 StrongARM 系列。 ARM 體系有變種，也就是說有些版本具備特定功能，在各個版本的版本號上可以體現出來，說明如下 [5]： T： 支持 16 位 壓縮指令集 Thumb； D： 支持片上 Debug； M：內嵌硬件乘法器（ Multiplier） ，增加用于長乘法操作的指令； I： 嵌入式 ICE，支持片上斷點和調試點； E：增強型 DSP 指令； ARM 構架誕生至今，已經產生了多次變革，每一次都帶來性能上的極大飛躍，其過程包括： － V1 構架（ ARM1） 基本的 數據處理指令（無乘法） 字節(jié)、半字和字的 Load/Store 指令 轉移指令，包括子程序的調用和鏈接指令 軟件中斷指令 尋址空間 64MB － V2 構架（ ARM2， ARM3） 增加乘法和乘法指令 增加支持協處理器的操作 增加快速中斷模式 增加 SWP/SWPB 的存儲器和寄存器交換指令 － V3 構架（ ARM6） 增加了 MRS/MSR 指令，訪問新增的 CPSR/SPSR 寄存器 增加了異常處理返回 尋址空間 4GB － V4 構架（ ARM7, ARM9） 增加符號化和非符號化半字及符號化字節(jié)的存取指 令 增加 16 位的 Thumb 指令 完善軟件中斷 SWI 指令 － V5 構架（ ARM10） 帶有鏈接和交換的轉移 BLX 指令 計數前導零 CLZ 指令 BRK 中斷指令 增加了一些信號處理的指令 － V6 構架 增加了 SIMD 功能擴展，為包括音頻 /視頻處理在內的應用系統(tǒng)提供優(yōu)化功能 接下來就簡要介紹一下各主要系列處理器的特點。 （ 1） ARM7 微處理器系列 [5] ARM7 系列微處理器為低功耗的 32 位 RISC 處理器，最適合用于對價位和功耗要求較 高的消費類應 用。ARM7 微處理器系列具有如下特點： － 具有嵌入式 ICE－ RT 邏輯，調試開發(fā)方便。 － 極低的功耗，適合對功耗要求較高的應用，如便攜式產品。 － 能夠提供 。 － 代碼密度高并兼容 16 位的 Thumb 指令集。 － 對操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括 Windows CE、 Linux、 Palm OS 等。 － 指令系統(tǒng)與 ARM9 系列、 ARM9E 系列和 ARM10E 系列兼容，便于用戶的產品升級 。 － 主頻最高可達 130MIPS，高速的運算處理能力能勝任絕大多數的復雜應用。 ARM7 系列微處理器的主要 應用領域為：工業(yè)控制、 Inter 設備、網絡和調制解調器設備、移動電話等多種多媒體和嵌入式應用 。 ARM7 系列微處理器包括如下幾種類型的核： ARM7TDMI、 ARM7TDMIS、 ARM720T、 ARM7EJ。其中，ARM7TMDI 是目前使用最廣泛的 32 位嵌入式 RISC 處理器，屬低端 ARM 處理器核 。 （ 2） ARM9 微處理器系列 [5] ARM9 系列微處理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特點 ： － 5 級整數流水線，指令執(zhí)行效率更高。 － 提供 。 － 支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集。 － 支持 32 位的高速 AMBA 總線接口。 － 全性能的 MMU，支持 Windows CE、 Linux、 Palm OS 等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。 － MPU 支持實時操作系統(tǒng)。 － 支持數據 Cache 和指令 Cache，具有更高的指令和數據處理能力。 ARM9 系列微處理器主要應用于無線設備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機頂盒、高端打印機、數字照相機和數字攝像機等。 ARM9 系列微處理器包含 ARM920T、 ARM922T 和 ARM940T 三種類型 ，以適用于不同的應用場合。 （ 3） ARM9E 微處理器系列 [5] ARM9E