【正文】 加 8 個(gè)字節(jié)。由于用戶模式和系統(tǒng)模式不是異常中斷模式，所以它們沒(méi)有 SPSR。 T：對(duì)于 ARMv4 以及更高的版本的 T 系列的 ARM 處理器 T＝ 0 表示執(zhí)行 ARM 指令 T＝ 1 表示執(zhí)行 Thumb 指令 對(duì)于 ARMv5 以及更高版本的非 T 系列的 ARM 處理器 ★ T=0 表示執(zhí)行 ARM 指令 ★ T＝ 1 表示 強(qiáng)制下一條執(zhí)行的指令產(chǎn)生為定義指令中斷 Modes 位控制處理器模式，在這不再贅述。 （ 2） ARM 的存儲(chǔ)器格式 在 ARM 體系中，每個(gè)字單元中包含 4 個(gè)字節(jié)單元或者兩個(gè)半字單元，其中 1個(gè)半字單元中包含兩個(gè)字節(jié)單元。 ★ 靈活的第二操作數(shù) ARM 指令的另一個(gè)重要的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理類指令有靈活的第二操作數(shù)operand2（位與程序代碼的位 0－ 11）。 ARM 指令字長(zhǎng)為固定的 32 位，一條典型的 ARM指令編碼格式如下： 圖 數(shù)據(jù)處理指令編碼 其中： ★ Cond 位 28－ 31，執(zhí)行指令的條件編碼。對(duì)于具體的指令集，可以參考相關(guān)文檔。異常中斷向量表的大小位32 字節(jié) ，其中每個(gè)異常中斷占據(jù) 4 個(gè)字節(jié)大小，保留了 4 個(gè)字節(jié)空間。 19 ARM 最小系統(tǒng)描述 對(duì)于任何一個(gè)系統(tǒng)，都希望不是一個(gè)虛擬系統(tǒng)，也就是說(shuō)系統(tǒng)都希望是特定系統(tǒng)，即有具體的 CPU，有具體的存儲(chǔ)芯片以及有各種具體的外圍控制模塊。然而在嵌入式 系統(tǒng)中通常沒(méi)有像 BIOS 那樣的固件程序（有的嵌入式 CPU 有），因此整個(gè)系統(tǒng)的加載啟動(dòng)任務(wù)就完全由 bootloader 來(lái)完成。通常多階段的 bootloader 能提供更為復(fù)雜的功能，以及更好的可移植性。 Bootloader 的這種模式通常在第一次安裝內(nèi)核與根文件系統(tǒng)時(shí)使用；此外，以后的系統(tǒng)更新也會(huì)使用bootloader 的這種工作模 式。至于涉及到具體的設(shè)計(jì)與實(shí) 現(xiàn)，可以參看第 5 章的具體內(nèi)容，并根據(jù)自己的硬件系統(tǒng)進(jìn)行移植，也不是一件困難的事情。 Bootloader 主要是裝載內(nèi)核鏡像，鏡像數(shù)據(jù)必須真實(shí)寫回 SDRAM 中，所以數(shù)據(jù) cache 必須關(guān)閉；而對(duì)于指令 cache，不存在強(qiáng)制性的規(guī)定，但是一般情況下，推薦關(guān)閉指令 cache。 S3C2440A 的最大特點(diǎn)是其核心處理器 (CPU)是一個(gè)由 Advanced RISC Machines 有限公司設(shè)計(jì)的 16/32位 ARM920T 的 RISC 處理器。 ★ 采用高速指令 ICache，高速數(shù)據(jù) DCache，寫緩沖器和物理地址 TAG RAM 以減少主存帶寬和響應(yīng) 速度帶來(lái)的影響。 一般地， GNU 工具地開(kāi)發(fā)流程如下：（ 1）編寫 C、 C++或者匯編源程序（ 2）用相關(guān)編譯器生成目標(biāo)文件（ 3）編寫連接腳本（ 4）用連接器生成最終文件（ elf格式）（ 5）用二進(jìn)制轉(zhuǎn)換工具生成可下載的二進(jìn)制代碼。 對(duì)于本課題的硬件系統(tǒng)，外接 2M 的 FLASH，映射到物理地址的 0x00000000處；對(duì)于 64M的 SDRAM，則對(duì)應(yīng) S3C2440A的 SDRAM BANK0，映射到 0x3000000處。模式的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)主要在階段 2 中實(shí)現(xiàn)。 （ 6）對(duì) SDRAM 內(nèi)存初始化。 31 mrs r0,cpsr bic r0,r0,0x1f orr r0,r0,0xd3 msr cpsr,r0 （ 2）通過(guò)宏定義方式定義各寄存器。 本文所使用的內(nèi)核鏡像以及根文件系統(tǒng)鏡像都被加載到 SDRAM 中運(yùn)行，這樣做是因?yàn)榛谶\(yùn)行速度的考慮，盡管在嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)核鏡像與根文件系統(tǒng)鏡像也可以直接在 ROM 或 FLASH 這樣的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備中直接運(yùn)行。分為兩個(gè)階段的原因是因?yàn)椋海?1）基于編程語(yǔ)言的考慮。 （ 2） 編程語(yǔ)言 由于 論 文與芯片底層關(guān)系密切，甚至還涉及到相關(guān)協(xié)處理器，因此在與硬件芯片底層相關(guān)的部 分使用匯編，這樣可以大大提高性能以及移植性；而在很多系統(tǒng)板級(jí)的支持上，則使用 C 語(yǔ)言，以提高代碼的可讀性以及層次性。通過(guò)提供一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)， S3C2440A 減少整體系統(tǒng)成本和無(wú)需配置額外的組件。 圖 S3C2440A 模塊圖 S3C2440A 是著名的半導(dǎo)體公司 SAMSUNG 推出的一款 16/32位 RISC 微處理器，它為手持設(shè)備和一般類型的應(yīng)用提供了低價(jià)格、低功耗、高性能微控制器的解決方案。 （ 3） 創(chuàng)建內(nèi)核參數(shù)列表（針對(duì) linux 操作系統(tǒng)，推薦）。從這個(gè)層面上看，功能擴(kuò)展后的 bootloader 可以虛擬地看成是一個(gè)微小的系統(tǒng)級(jí)的代碼包。 啟動(dòng)加載模式：這種模式也稱為 “自主 ”模式，即 bootloader 從目標(biāo)機(jī)上的某個(gè)固體存儲(chǔ)設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到 RAM 中運(yùn)行，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有用戶的介入。 bootloader 是依賴于硬件而實(shí) 現(xiàn)的，特別是在嵌入式系統(tǒng)中。但是，這并不防礙對(duì)許多概念的解釋，其本質(zhì)在任何操作系統(tǒng)中都是一致的，所不同的僅僅是實(shí)現(xiàn)形式。這是通過(guò)將當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器 CPSR 的內(nèi)容保存到將要執(zhí)行的異常中斷對(duì)應(yīng)的 SPSR 寄存器中實(shí)現(xiàn)的。 ★ 當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行完當(dāng)前指令后，將跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常中斷處理程序處執(zhí)行。 ★ Rn 位 16－ 19，第一操作數(shù)的寄存器編碼。 ★ Thumb 指令 ARM 在有的版本支持 16 位 Thumb 指令。這種存儲(chǔ)器格式如下圖所示： 圖 littleendian格式的存儲(chǔ)系統(tǒng) ARM 指令集介紹 ARM 指令系統(tǒng)屬于 RISC 指令系統(tǒng)。這些字節(jié)單元的地址是一個(gè)無(wú)符號(hào)的 32 位數(shù)值，其取值范圍為 0 到 232－ 1。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 。它 包含了標(biāo)志位、中斷禁止位、當(dāng)前處理器模式標(biāo)志以及其它的一些控制和狀態(tài)位。 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： 14 ★ 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。 系統(tǒng)模式并不是通過(guò)異常過(guò)程進(jìn)入的，它和用戶模式具有完全一樣的寄存器。在這些模式下，程序可以訪問(wèn)所有的系統(tǒng)資源，也可以任意地進(jìn)行處理器模式的切換。 4. 浮點(diǎn)部件 ：浮點(diǎn)部件是作為選件供 ARM 構(gòu)架使用。為了更好的在后面篇幅中介紹實(shí)現(xiàn)，先簡(jiǎn)單介紹相關(guān)的體系結(jié)構(gòu)以及相關(guān)指令集。 ARM 主要使 用 32 位的 RISC 指令，但是指令代碼利用率低， ARM 為了彌補(bǔ)此不足，在新型 ARM 構(gòu)架（ V4T 版本以上）定義了 16 位的 Thumb 指令集。 ARM 處理器的優(yōu)勢(shì) 采用 RISC 結(jié)構(gòu)的 ARM 微處理器一般具有如下特點(diǎn)： 1． 體積小、低 功耗、低成本、高性能； 2． 支持 Thumb（ 16 位） /ARM（ 32 位）雙指令集，能很好地兼容 8/16 位器件； 3． 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快； 4． 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成； 5． 尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高； 6． 指令長(zhǎng)度固定； ARM 處理器之所以能夠廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，與以上所列的各個(gè)特點(diǎn)密切相關(guān)，綜合起來(lái)，主要包括以下幾點(diǎn)。 ★ 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)。 ARM9 系列微處理器主要應(yīng)用于下一代無(wú)線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域。 ★ 5 級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。 ★ 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)。 ARM7 系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋汗I(yè)控制、 Inter 設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動(dòng)電話等多種多媒體和 嵌入式應(yīng)用。 （ 1） ARM7 微處理器系列 ARM7 系列微處理器為低功耗的 32 位 RISC 處理器，最適合用于對(duì)價(jià)位和功耗要求較高的消費(fèi)類應(yīng)用。 ARM 處理器 ARM（ Advanced RISC Machines），既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以是對(duì)一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。 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(gè)別性，即 bootloader 與具體的處理器以及具體的硬件系統(tǒng)緊密聯(lián)系在一起，需要實(shí)際的完整硬件系統(tǒng)支持，而基于 ARM 920T 體系的芯片實(shí)在太多，每款芯片除了具有基本的 ARM 體系結(jié)構(gòu)的通性外，通常還具有各自獨(dú)特的特性，還需分別處理。目前， ARM 芯片廣泛應(yīng)用于汽車電子、保安設(shè)備、無(wú)線通信、智能手機(jī)等多個(gè)領(lǐng)域。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。 Bootloader IV 目 錄 摘 要 .................................................. I ABSTRACT .............................................. III 1 緒言 ................................................. 1 研究背景 ......................................... 1 主要研究工作 ...................................... 2 主要內(nèi)容 ......................................... 2 2 ARM 處理 器簡(jiǎn)介 ........................................ 3 ARM 處理器 ....................................... 3 ARM 處理器介紹 .............................. 3 ARM 處理器的優(yōu)勢(shì) ................................. 7 RISC 指令集 ................................. 7 低功耗 ...................................... 8 3 ARM 體系結(jié)構(gòu)介紹 ..................................... 10 ARM core 描述 ................................... 10 ARM 處理器工作狀態(tài)及模式 ........................ 11 ARM 處理器模式 ............................. 11 ARM 寄存器組介紹 ........................... 12 ARM 存儲(chǔ)系統(tǒng) ............................... 15 ARM 指令集介紹 ............................. 16 ARM 體系的異常中斷 ......................... 17 ARM 最小系統(tǒng)描述 ................................ 19 4 Bootloader 的概念 .................................... 20 Bootloader 的基本概念 ........................... 20 Bo