【正文】 傳遞給內(nèi)核，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核，真正起到引導(dǎo)和加載內(nèi)核的作用。我們熟悉的PC中的引導(dǎo)程序一般由BIOS和位于MBR的OS bootloader（例如LILO或者GRUB）一起組成。 Bootloader的概念第三章 Bootloader的概念本文在實(shí)現(xiàn)以及驗(yàn)證上都以開(kāi)放源代碼的linux為操作系統(tǒng)，因此，在眾多舉例以及圖表描述中，多以linux系統(tǒng)為例子。它除了Xscale微內(nèi)核外，還集成了許多世適用于手持式設(shè)備市場(chǎng)需要的外圍設(shè)備。[7]所示為Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。對(duì)于本課題來(lái)說(shuō)，最終的bootloader也必須在具體的系統(tǒng)上運(yùn)行起來(lái)。l 設(shè)置當(dāng)前的程序狀態(tài)寄存器CPSR中相應(yīng)的位，包括設(shè)置CPSR中的位，使處理器進(jìn)入相應(yīng)的執(zhí)行模式；設(shè)置CPSR中的位，禁止IRQ中斷，當(dāng)進(jìn)入FIQ模式時(shí)，禁止FIQ模式。每個(gè)異常中斷對(duì)應(yīng)的中斷向量表中的4個(gè)字節(jié)的空間中放了一個(gè)跳轉(zhuǎn)指令或者一個(gè)向PC寄存器中賦值的數(shù)據(jù)訪問(wèn)指令。在異常中斷處理程序執(zhí)行完成后，程序返回到發(fā)生中斷的指令的下一條指令處執(zhí)行。 ARM體系的異常中斷在ARM體系中通常有以下3種方式控制程序的執(zhí)行流程[6]：l 在程序正常執(zhí)行過(guò)程種，每執(zhí)行一條ARM指令，程序計(jì)數(shù)器寄存器（PC）的值加4個(gè)字節(jié)；每執(zhí)行一條Thumb指令，程序計(jì)數(shù)器寄存器的值加2個(gè)字節(jié)。l Rd 位12－15，目標(biāo)寄存器編碼。l I 位25，決定operand2的格式。Thumb指令集的整體執(zhí)行速度比ARM32位指令集快，而且提高了代碼密度。它既可以是立即數(shù)，也可以是邏輯運(yùn)算數(shù)，使得ARM指令可以在讀取數(shù)值的同時(shí)進(jìn)行算術(shù)和移位操作。標(biāo)準(zhǔn)的ARM指令每條都是32位，有些ARM核還可以執(zhí)行16位的Thumb指令集。但是在字單元中，4個(gè)字節(jié)哪一個(gè)是高位字節(jié)，哪一個(gè)是低位字節(jié)，則有兩種不同的格式：bigendian格式和littleendian格式。ARM的地址空間也可以看作是230個(gè)32位的字單元。 ARM存儲(chǔ)系統(tǒng)這里僅僅介紹ARM編程模型中與存儲(chǔ)系統(tǒng)相關(guān)的一些概念。各條件標(biāo)志位的具體含義如下：N：當(dāng)兩個(gè)補(bǔ)碼表示的有符號(hào)整數(shù)運(yùn)算時(shí)，N＝1表示運(yùn)算的結(jié)果為負(fù)數(shù)；N＝0表示運(yùn)算結(jié)果為正數(shù)或零；Z：Z＝1表示運(yùn)算結(jié)果為零；Z＝0表示運(yùn)算的結(jié)果不為零；C：在加法指令中，當(dāng)結(jié)果產(chǎn)生了進(jìn)位，則C＝1；其他情況下C＝0； 在減法指令中，當(dāng)運(yùn)算中發(fā)生借位，則C＝0；其他情況下C＝0；V：對(duì)于加/減法運(yùn)算指令，當(dāng)操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果為二進(jìn)制的補(bǔ)碼表示的帶符號(hào)數(shù)時(shí)，V＝1表示符號(hào)位溢出CPSR的低8位稱為控制位，當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)這些位發(fā)生改變。當(dāng)用戶模式或者系統(tǒng)模式中訪問(wèn)SPSR，將會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果。每一種處理器異常模式下都有一個(gè)專用的物理狀態(tài)寄存器，稱為SPSR（備份程序狀態(tài)寄存器）。也就是說(shuō)，對(duì)于ARM指令集來(lái)說(shuō)，PC指向當(dāng)前指令的下兩條指令的地址。R14寄存器又被稱為連接寄存器（Link Register，LR），在ARM體系中有下面兩種特殊的作用[6]：l 每一種處理器模式自己的物理R14中存放當(dāng)前子程序的返回地址。在所有的寄存器中，有些是各模式共用的同一個(gè)物理寄存器；有些寄存器是各模式自己擁有的獨(dú)立的物理寄存器。它主要供操作系統(tǒng)任務(wù)使用。當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)生異常中斷時(shí)，處理器進(jìn)入相應(yīng)的異常模式。處理器模式可以通過(guò)軟件控制進(jìn)行切換，也可以通過(guò)外部中斷或異常處理過(guò)程進(jìn)行切換。因此，[7]描述的僅僅針對(duì)一般而言。FPA10浮點(diǎn)加速器是作為協(xié)處理方式與ARM相連，并通過(guò)協(xié)處理指令的解釋來(lái)執(zhí)行。2． 桶形移位寄存器：ARM采用了3232位的桶形移位寄存器，這樣可以使在左移/右移n位、環(huán)移n位和算術(shù)右移n位等都可以一次完成。 ARM core描述盡管本本文實(shí)現(xiàn)主要涉及軟件上的開(kāi)發(fā)，但是軟件上代碼的實(shí)現(xiàn)更多的都涉及芯片構(gòu)架，因此在這里簡(jiǎn)要介紹一下一般ARM core構(gòu)架。ARM架構(gòu)的設(shè)計(jì)采用了以下一些措施：－ 降低電源電壓－ 減少門(mén)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，當(dāng)某個(gè)功能電路不需要時(shí)，禁止門(mén)翻轉(zhuǎn)－ 減少門(mén)的數(shù)目，即降低芯片的集成度－ 降低時(shí)鐘頻率ARM還其他采用了一些特別的技術(shù)，在保證高性能的前提下盡量縮小芯片的面積： － 所有的指令都可以根據(jù)前面的執(zhí)行結(jié)果決定是否被執(zhí)行，從而提高指令的執(zhí)行效率；－ 可用加載/存儲(chǔ)指令批量傳輸數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率；－ 可在一條數(shù)據(jù)處理指令中同時(shí)完成邏輯處理和移位處理；－ 在循環(huán)處理中使用地址的自動(dòng)增減來(lái)提高運(yùn)行效率；ARM的低功耗，使得ARM在專門(mén)針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的處理器市場(chǎng)中始終處于有利的地位。Thumb指令集比通常的8位和16位RISC/CISC處理器具有更好的代碼密度，而芯片面積只增加6％，可使程序存儲(chǔ)器更小。到目前為止，RISC體系結(jié)構(gòu)也還沒(méi)有嚴(yán)格的定義，一般認(rèn)為，RISC體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具有如下特點(diǎn)：－ 采用固定長(zhǎng)度的指令格式，指令歸整、簡(jiǎn)單、基本尋址方式有2～3種。 RISC指令集 傳統(tǒng)的CISC（Complex Instruction Set Computer，復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）結(jié)構(gòu)有其固有的缺點(diǎn)，即隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷引入新的復(fù)雜的指令集，為支持這些新增的指令，計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，然而，在CISC指令集的各種指令中，其使用頻率卻相差懸殊，大約有20％的指令會(huì)被反復(fù)使用，占整個(gè)程序代碼的80％。（5）StrongArm微處理器系列Intel StrongARM SA1100處理器是采用ARM體系結(jié)構(gòu)高度集成的32位RISC微處理器?！　。?支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力　?。?主頻最高可達(dá)400MIPS?！　。?支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。　　ARM9E系列微處理器包含ARM926EJS、ARM946ES和ARM966ES三種類型，以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合?！　。?MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)?！　。?支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。 （3）ARM9E微處理器系列[5]ARM9E系列微處理器為可綜合處理器，使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器、DSP、Java應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案，極大的減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復(fù)雜程度?！　。?MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)?！　。??！　RM7系列微處理器包括如下幾種類型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMIS、ARM720T、ARM7EJ?！　。?對(duì)操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS等。ARM7微處理器系列具有如下特點(diǎn)：　　－ 具有嵌入式ICE－RT邏輯，調(diào)試開(kāi)發(fā)方便。目前，全世界有幾十家大的半導(dǎo)體公司都使用ARM公司的授權(quán)，因此既使得ARM技術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使得整個(gè)系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場(chǎng)被消費(fèi)者所接受，更具有競(jìng)爭(zhēng)力。1991年ARM公司成立于英國(guó)劍橋，主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。嵌入式微處理目前主要有Am186/8386EX、SC400、Power PC、MIPS、ARM系列等。第五章， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一些分析與測(cè)評(píng)，包括一些測(cè)試數(shù)據(jù)以及程序的穩(wěn)定性與可移植性、剪裁性的分析。第一章， 簡(jiǎn)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(shì)特點(diǎn)。除了基本功能，bootloader還能有什么更加具體的擴(kuò)展功能來(lái)方便各個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者，都屬于本課題討論的范疇。然而，如何進(jìn)行加載操作系統(tǒng)這個(gè)問(wèn)題卻很少有人提出。目前，ARM芯片廣泛應(yīng)用于無(wú)線產(chǎn)品、PDA、GPS、網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)電子產(chǎn)品、STB及智能卡。針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的各種微處理器遍布各個(gè)角落。特別地，現(xiàn)在對(duì)嵌入式軟件來(lái)說(shuō)，都需要操作系統(tǒng)的支持。嵌入式系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在信息終端、工業(yè)控制和信息家電等領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) ARM Bootload IV 目錄目錄摘要 IAbstract II目錄 III緒言 １1. 背景 １2. 主要研究工作 １3. 主要內(nèi)容 ２第一章 ARM簡(jiǎn)介 ３ ARM 簡(jiǎn)介 ３ ARM處理器介紹 ３ ARM處理器的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn) ６ RISC指令集 ６ 低功耗 ７第二章 ARM體系結(jié)構(gòu)介紹 ８ ARM core描述 ８ 編程模型介紹 １０ ARM處理器模式 １０ ARM寄存器組介紹 １０ ARM存儲(chǔ)系統(tǒng) １２ ARM指令集介紹 １３ ARM體系的異常中斷 １４ ARM最小系統(tǒng)描述 １５ Intel Xscale系統(tǒng)構(gòu)架 １６ PXA255介紹 １８第三章 Bootloader的概念 １９ Bootloader的基本概念 １９ Bootloader的操作模式 ２０ Bootloader的概念擴(kuò)展 ２０ ARM Bootloader的共性 ２０第四章 Bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ２２ 研究的平臺(tái)環(huán)境 ２２ 硬件平臺(tái) ２２ 軟件環(huán)境以及軟件開(kāi)發(fā)工具 ２３ Bootloader的總體設(shè)計(jì) ２３ 階段設(shè)計(jì) ２３ 地址規(guī)劃設(shè)計(jì) ２４ 模式設(shè)計(jì) ２５ Bootloader的具體實(shí)現(xiàn) ２５ 階段1的代碼實(shí)現(xiàn) ２５ 階段2的代碼實(shí)現(xiàn) ２８ 代碼的編譯 ３５ 目標(biāo)文件的鏈接與轉(zhuǎn)換 ３６ 代碼組織結(jié)構(gòu) ４２ 使用操作 ４３第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與測(cè)評(píng) ４４ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ４４ 基本功能的實(shí)現(xiàn)結(jié)果 ４４ 擴(kuò)展功能的實(shí)現(xiàn)結(jié)果 ４５ 程序性能 ４６ 擴(kuò)展功能的功能性測(cè)試數(shù)據(jù) ４６ 程序的可移植性 ４６第六章 總結(jié)與展望 ４７ 緒言緒言1. 研究背景隨著人民生活水平提高帶來(lái)巨大的消費(fèi)需求、信息化進(jìn)程的推進(jìn)、電信運(yùn)營(yíng)業(yè)的發(fā)展，信息產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)空間將得到進(jìn)一步拓展。在實(shí)踐平臺(tái)上，本課題硬件上采用了Intel Xscale系列的PXA255作為處理器，Xscale核心是與ARM V5TE構(gòu)架兼容的，因此具有一定的代表性，并以此來(lái)搭建課題的硬件實(shí)踐平臺(tái)，軟件上以Linux作為操作系統(tǒng)。當(dāng)今，眾多的半導(dǎo)體廠商都生產(chǎn)基于ARM體系結(jié)構(gòu)的通用微處理芯片，ARM技術(shù)已經(jīng)在當(dāng)今的嵌入式微處理器領(lǐng)域中占據(jù)了它的領(lǐng)先地位。它對(duì)軟硬件的體積大小、成本、功耗和可靠性都提出了嚴(yán)格的要求。它并不是最近出現(xiàn)的新技術(shù)，只是隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微控制芯片功能越來(lái)越大，而嵌入微控制芯片的設(shè)備和系統(tǒng)越來(lái)越多，從而使得這種技術(shù)越來(lái)越引人注目。相應(yīng)地，這也給處理器提出了要求。Bootloader是嵌入式系統(tǒng)中執(zhí)行在內(nèi)核操作系統(tǒng)前的一段代碼，它的基本作用就是加載內(nèi)核鏡像。最后，對(duì)實(shí)現(xiàn)的bootloader進(jìn)行了擴(kuò)展：即在闡明ARM嵌入式系統(tǒng)中bootloader的一些共同點(diǎn)之后，介紹了如何對(duì)其他ARM系統(tǒng)進(jìn)行移植，以做到通用性。嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)和各行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，它是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。通常，應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)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。嵌入式軟件，特別是操作系統(tǒng)的支持，使得對(duì)硬件的要求越來(lái)越高。世界上幾乎所有的主要半導(dǎo)體廠商都生產(chǎn)基于ARM體系結(jié)構(gòu)的通用芯片，如TI，Motorola，Intel，NS，Ateml，Philips，SAMSUNG等。現(xiàn)在，專門(mén)為嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的各個(gè)操作系統(tǒng)層出不窮，WINDOW CE，POCKET PC，Linux等等，各界關(guān)注地也特別多。如何實(shí)現(xiàn)bootloader的基本功能，如何針對(duì)基于ARM體系的微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)bootloader，就成為本課題的一個(gè)基本論題。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中具體研究開(kāi)發(fā)如下：l 選擇基于Intel Xscale構(gòu)架的PXA255芯片作為處理器，并以此構(gòu)建一套硬件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)l 與實(shí)際項(xiàng)目接軌，選擇GNU的linux作為系統(tǒng)的操作系統(tǒng)l 在上述軟硬件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)基于PXA255的bootloader的基本功能，即引導(dǎo)加載內(nèi)核鏡像的功能l 在實(shí)現(xiàn)bootloader基本功能的基礎(chǔ)上，增加bootloader的擴(kuò)展功能，包括：通過(guò)串口打印調(diào)試信息、通過(guò)串口更新鏡像、通過(guò)USB接口更新鏡像、實(shí)現(xiàn)bootloader加載模式與下載模式的轉(zhuǎn)換以及實(shí)現(xiàn)對(duì)FLASH的擦寫(xiě)操作支持l 在Xscale的構(gòu)架基礎(chǔ)上在理論上擴(kuò)展到ARM系統(tǒng)，分析對(duì)于ARM系統(tǒng)，bootloader實(shí)現(xiàn)的一些共性以及一些限制l 分析對(duì)于實(shí)現(xiàn)bootloader，移植到其他ARM平臺(tái)的相關(guān)處理3. 主要內(nèi)容根據(jù)所涉及的主要研究工作，本文的內(nèi)容主要包括一下幾個(gè)部分：第一章簡(jiǎn)要敘述ARM世界的一些主流處理器以及其優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)；緊接著第二章則詳細(xì)描述了ARM的體系結(jié)構(gòu)，指令系統(tǒng)并在此基礎(chǔ)上簡(jiǎn)單的描述了一下PXA255的相關(guān)結(jié)構(gòu)；第三章的內(nèi)容是介紹bootloader的概念，并專門(mén)針對(duì)ARM bootloader進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明；第四章在首先介紹軟硬件平臺(tái)之后詳細(xì)介紹了bootloadr的實(shí)現(xiàn)，包括基本功能，擴(kuò)展功能等，以及軟件上的編譯連接的實(shí)現(xiàn)，代碼組織結(jié)構(gòu)等；第五章針對(duì)第四章的實(shí)現(xiàn)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析以及擴(kuò)展功能的一些數(shù)據(jù)測(cè)試，以及如何在實(shí)現(xiàn)的bootloader基礎(chǔ)上進(jìn)行移植；最后一章進(jìn)行一下總結(jié)與展望。第四章， 簡(jiǎn)單介紹了其實(shí)現(xiàn)的軟硬件平臺(tái)，詳細(xì)介紹了基于PXA255處理器的bootloader基本功能的實(shí)現(xiàn)以及擴(kuò)展功能的實(shí)現(xiàn)以及軟件上編譯連接的處理。目前據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過(guò)1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30多個(gè)系列。 ARM 簡(jiǎn)介 ARM（Advanced RISC Machines），既可以認(rèn)為是一