【正文】 LILO 或者 GRUB）一起組成。 Bootloader 的啟動過程可以是單階段的，也可以是多階段的。從主機下載的文件通常首先被 bootloader 保存到目標機的 RAM 中，然后被bootloader 寫到目標機上的 FLASH 類固態(tài)存儲設(shè)備中。但是，我們還是可以根據(jù) ARM 的體系結(jié)構(gòu)，從理論上總結(jié)出一些 ARM 系統(tǒng) bootloader 實現(xiàn)的共性，而這僅僅局限于理論上。 ★ Cache 和 MMU 的設(shè)置： MMU 必須關(guān)閉； 數(shù)據(jù) cache 必須關(guān)閉； 23 指令 cache 可以關(guān)閉也可以開啟； Bootloader 中所有對地址的操作都是使用物理地址，是實在的實地址，不存在虛擬地 址，因此 MMU 必須關(guān)閉。它采用了新的總線架 構(gòu) Advanced Micro controller Bus Architecture 25 (AMBA)。 ★ 加強的 ARM 體系結(jié)構(gòu) MMU 用于支持 WinCE， EPOC 32和 Linux。 GNU 的編譯器功能非常強大，共有上百個操作選項，不過在本課題實際開發(fā)中只需要用到有限的幾個，大部分采用缺省選項。 地址規(guī)劃設(shè)計 當 bootloader 階段設(shè)計 好之后，需要考慮的是鏡像存儲的地址分配：總鏡像保存在什么地方，階段 2 對應(yīng)的鏡像會被拷貝到什么地方；內(nèi)核鏡像原先存放在什么地方， bootloader 會把它又重新加載到什么地方；如何進行準確的地址規(guī)劃以保證沒有相互沖突等等，這些都是本節(jié)需要考慮的范疇。為了在兩者之間做到兼顧，本課題既支持啟動加載模式，也支持下載模式，具體思路為：在 bootloader 做完一些硬件初始化工作后，而在加載內(nèi)核鏡像之前，先在一定的時間內(nèi)等待有沒有用戶有鍵盤輸入，如果沒有，則為啟動加載模式，直接加載內(nèi)核鏡像進行啟動 ；如果有，則進入命令行格式，這時開發(fā)者就可以根據(jù)自己的需要以及 bootloader 的支持情況，做一些其他的工作。 （ 5）清空 TLB， Caches 以及寫緩沖區(qū)，當系統(tǒng)冷啟動時所有的保留數(shù)據(jù)都以無效處理，因此都要清空，況且 cache 都已經(jīng)關(guān)閉。 （ 3）關(guān)閉 watchdog 定時器，清中斷位。所以bootloader 在啟動時以及加載內(nèi)核時通常要考慮這一點。階段 1 主要用匯編語言，它主要進行與 CPU核以及存儲設(shè) 備密切相關(guān)的處理工作，進行一些必要的初始化工作，是一些依賴于 CPU 體系結(jié)構(gòu)的代碼，為了增加效率以及因為涉及到協(xié)處理器的設(shè)置，只能用匯編編寫，這部分直接在 FLASH 中執(zhí)行；階段 2 用一般的 C 語言，來實現(xiàn)一般的流程以及對板級的一些驅(qū)動支持，這部分會被拷貝到 RAM 中執(zhí)行。 （ 3） 編譯環(huán)境 本文所使用的編譯工具均為 GNU 的編譯工具。 S3C2440A 微處理器體系結(jié)構(gòu)特征如下： ★ 為手持設(shè)備和通用嵌入式應(yīng)用提供片上系統(tǒng)解決方案。 S3C2440A 采用了 ARM920T 的內(nèi)核， 的 CMOS 標準宏單元和存儲器單元。 （ 4） 啟動內(nèi)核鏡像（必需）：根據(jù)內(nèi)核鏡像保存的存儲介質(zhì)不同，可以有兩種啟動方式： FALSH 啟動以及 RAM 啟動；但是無論是哪種啟動方式，下面的系統(tǒng)狀態(tài)必須得到滿足： ★ CPU 寄存器的設(shè)置： R0＝ 0； R1＝機器類型； R2＝啟動參數(shù)標記列表在 RAM 中的起始地址； 這三個寄存器的設(shè)置是在最后啟動內(nèi)核時通過啟動參數(shù)來 傳遞完成的。 22 ARM Bootloader 的共性 從上面 bootloader 的基本概念可以看出， bootloader 的設(shè)計與實現(xiàn)是與具體 的 CPU 以及具體的硬件系統(tǒng)緊密相關(guān)的，從上一章的實現(xiàn)就可以看出，要實現(xiàn)一個通用的 ARM bootloader，即要適合所有的 ARM 處理器以及硬件系統(tǒng)，是不太可能的事情。這種模式是 bootloader 的正常工作模式，因此當以嵌入式產(chǎn)品發(fā)布的時候， bootloader 必須工作在這種模式下。不同的體系結(jié)構(gòu)需求的 bootloader 是不同的；除了體系結(jié)構(gòu)， bootloader 還依賴于具 體的 21 嵌入式板級設(shè)備的配置。 Bootloader 的基本概念 一個嵌入式 Linux 系統(tǒng)從軟件的角度看通?？梢苑譃樗膫€層次：引導加載序、 Linux 內(nèi)核、文件系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序。 ★ 設(shè)置當前的程序狀態(tài)寄存器 CPSR 中相應(yīng)的位，包括設(shè)置 CPSR 中的位，使處理器進入相應(yīng)的執(zhí)行模式；設(shè)置 CPSR 中的位，禁止 IRQ 中斷，當進入 FIQ模式時，禁止 FIQ 模式。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。 ★ Rd 位 12－ 15，目標寄存器編碼。 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。標準的 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。 ARM 的地址空間也可以看作是 230個 32 位的字單元。 CPSR 的低 8 位稱為控制位，當異常中斷發(fā)生時這些位發(fā)生改變。每一種處理器異常模式下都有一個專用的物理狀態(tài)寄存器，稱為 SPSR（備份程序狀態(tài)寄存器）。當通過跳轉(zhuǎn)指令調(diào)用子程序時， R14 被設(shè)置為該子程序的返回地址；在子程序中 ，把R14 的指賦值到程序計數(shù)器 PC 中時，子程序返回 。但是系統(tǒng)模式屬于特權(quán)模式，可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以直 接進行處理器模式的切換，它主要供操作系統(tǒng)任務(wù)使用。其中，除系統(tǒng)模式外，其他 5 種特權(quán)模式又稱為異常模式。 FPA10 浮點加速器是作為協(xié)處理方式與 ARM 相連，并通過協(xié)處理指令的解釋來執(zhí)行。 ARM core 描述 盡管本本文實現(xiàn)主要涉及軟件上的開發(fā)，但是軟件上代碼的實現(xiàn)更多的都涉及芯片構(gòu)架，因此在這里簡要介紹一下一般 ARM core 構(gòu)架。 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％，可使程序存儲器更小。 RISC 指令集 傳統(tǒng)的 CISC（ Complex Instruction Set Computer，復雜指令集計算機）結(jié)構(gòu)有其固有的缺點，即隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而不斷 引入新的復雜的指令集，為支持這些新增的指令，計算機的體系結(jié)構(gòu)會越來越復雜，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％的指令會被反復使用，占整個程序代碼的 80％。 ★ 支持數(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 400MIPS。 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)用場合。 ★ 支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集。 ★ MPU 支持實時操作系統(tǒng)。 ARM7 系列微處理器包括如下幾種類型的核： ARM7TDMI、 ARM7TDMIS、ARM720T、 ARM7EJ。 ARM7 微處理器系列具有如下特點： ★ 具有嵌入式 ICE－ RT 邏輯，調(diào)試開發(fā)方便。 1991 年 ARM 公司成立 于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。因此，在真正的開發(fā)環(huán)節(jié)上，本課題主要基于 ARM 920T 體系構(gòu)架的S3C2440A 處理器，很具有代表性，并由此在理論上擴展到整個 ARM 系統(tǒng)。應(yīng)該說， ARM 無處不在。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)。在這良好的經(jīng)濟環(huán)境下，嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域得到進一步的拓寬與發(fā)展。 在實踐 平臺上，本課題硬件上采用了 ARM9 系列的 S3C2440A 作為處理器，具有一定的代表性，并以此來搭建課題的硬件實踐平臺，軟件上以 Linux 作為操作系統(tǒng)。它對軟硬件的體積大小、成本、功耗和可靠性都提出了嚴格的要求。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。 相應(yīng)地，這也給處理器提出了要求。 Bootloader III ABSTRACT With the popularity of mobile devices and development of embedded systems has bee a hot is not a recent emergence of new technology, but with the microelectronics and puter technology, more and more microcontrol chip functions, and embedded microcontroller chip devices and systems more and more, making this technology moreand more volume of its hardware and software size, cost, power consumption and reliability have made stringent powerful embedded systems to achieve more and more plex, the resulting reliability is greatly more recent trend is a powerful embedded systems usually require an operating system to support this operating system is already mature and stable, can be embedded Linux, WINCE and so on. Accordingly, it also made a request to the , many semiconductor manufacturers are producing generic architecture based on ARM microprocessing chip, ARM technology has in today39。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。針對嵌入式系統(tǒng)的各種微處理器遍布各個角落。然而，如何進行加載操作系統(tǒng)這個問題卻很少有人提出。目前據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過 1000 多種，流行體系結(jié)構(gòu)有 30 多個系列。世界各大半導體生產(chǎn)商從 ARM 公司購買其設(shè)計的 ARM 微處理 器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當?shù)耐鈬娐?，從而形成自己?ARM 微處理器芯片進入市場。 ★ 代碼密度高并兼容 16 位的 Thumb 指令集。具有以下特點： ★ 5 級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。 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(yīng)用場合。 ★ 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)。 ★ 6 級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。 ARM10E 系列微處理器包含 ARM1020E、 ARM1022E 和 ARM1026EJS 三種類型，以適用于不同的應(yīng)用場合。 RISC 結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻率最高的簡單指令，避免復雜指令；將指令長度固定，指令格式和尋址方式種類減少；以控制邏輯為主，不用或少用微碼控制等措施來達到上述目的。 低功耗 由于 ARM 架構(gòu)的處理器主要用于手持式嵌入式系統(tǒng)之中，因此 ARM 構(gòu)架在設(shè)計中十分注意低電壓、低功耗這一點，因而在手持式嵌入式系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。 1. ALU：它 由 兩個操作數(shù)鎖存器、加法器、邏輯功能、結(jié)果以及零檢測邏輯構(gòu)成。 不同的 ARM core 可能還有所不同。當需要進行處理器模式的切換時，應(yīng)用程序可以產(chǎn)生異常處理，在異常處理過程中進行模式的切換。任意時刻（也就是任意的處理器模式下），可見的寄存器包括 15 個通用寄存器（ R0－ R14）、一個或者兩個狀態(tài)寄存器以及程序計數(shù)器（ PC）。由于 ARM 采用了流水線機制，當正確讀取了PC 的值時，該值為當