【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。隨著移動設(shè)備的流行和發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為一個熱點。它對軟硬件的體積大小、成本、功耗和可靠性都提出了嚴(yán)格的要求。最近的一種趨勢是一個功能強大的嵌入式系統(tǒng)通常需要一種操作系統(tǒng)來給予。相應(yīng)地，這也給處理器提出了要求。當(dāng)今，眾多的半導(dǎo)體廠商都生產(chǎn)基于ARM. 據(jù)了它的領(lǐng)先地位。究其原因，它的以精簡指令構(gòu)架為主又不放棄與復(fù)雜指令平。衡的設(shè)計，使得在獲得高性能的同時又能做到低功耗。本文所要研究的就是基于ARM嵌入式系統(tǒng)bootloader的設(shè)計與實現(xiàn)。是加載內(nèi)核鏡像。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，

　　

【正文】 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(biāo)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。 ★ CPU 模式：關(guān)閉中斷； 屬于 SVC 模式； Bootloader 中沒有必要支持中斷的實現(xiàn)，這屬于內(nèi)核機制以及設(shè)備驅(qū)動管理的管理范疇； SVC 模式是系統(tǒng)的一種保護模式，這樣就可以進行一些只能在 SVC模式下的操作，例如一些特定寄存器訪問操作。 ★ 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。 Bootloader 主要是裝載內(nèi)核鏡像，鏡像數(shù)據(jù)必須真實寫回 SDRAM 中，所以數(shù)據(jù) cache 必須關(guān)閉；而對于指令 cache，不存在強制性的規(guī)定，但是一般情況下，推薦關(guān)閉指令 cache。 ★ Bootloader 啟動內(nèi)核鏡像的方法是通過跳轉(zhuǎn)語句直接跳轉(zhuǎn)至內(nèi)核鏡像的第一句指令語句。 24 5 Bootloader 的設(shè)計與實現(xiàn) 課題研究 的平臺環(huán)境 硬件平臺 Booltoader 是與硬件環(huán)境息息相關(guān)的，特別是與具體的處理器與具體硬件系統(tǒng) 相關(guān) 。 論文中， 其具體的實現(xiàn)與驗證都需要具體的硬件環(huán)境 ， 硬件平臺是圍繞S3C2440A 搭建起來的 ， 整個系統(tǒng)的硬件框架如圖 所示。 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)用提供了低價格、低功耗、高性能微控制器的解決方案。 S3C2440A 采用了 ARM920T 的內(nèi)核， 的 CMOS 標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲器單元。其低功耗，簡單，且全靜態(tài)設(shè)計特別適合于對成本和功率敏感型的應(yīng)用。它采用了新的總線架構(gòu) Advanced Micro controller Bus Architecture 25 (AMBA)。 S3C2440A 的最大特點是其核心處理器 (CPU)是一個由 Advanced RISC Machines 有限公司設(shè)計的 16/32位 ARM920T 的 RISC 處理器。 ARM920T 實現(xiàn)了MMU， AMBA BUS 和 Harvard 高速緩沖體系結(jié)構(gòu)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨立的 16KB指令 Cache 和 16KB 數(shù)據(jù) Cache。每個都是由具有 8字長的行組成。通過提供一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)， S3C2440A 減少整體系統(tǒng)成本和無需配置額外的組件。 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。 ★ 16/32位 RISC 體系結(jié)構(gòu)和 ARM920T 內(nèi)核強大的指令集。 ★ 加強的 ARM 體系結(jié)構(gòu) MMU 用于支持 WinCE， EPOC 32和 Linux。 ★ 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) 速度帶來的影響。 ★ 采用 ARM920T CPU 內(nèi)核支持 ARM 調(diào)試體系結(jié)構(gòu)。 ★ 內(nèi)部高級微控制總線（ AMBA）體系結(jié)構(gòu) (， AHB/APB)。 軟件環(huán)境以及軟件開發(fā)工具 （ 1） 操作系統(tǒng) 論文中操作系統(tǒng)使用的是開放源碼的 Linux 操作系統(tǒng)，因此最終 bootloader的實現(xiàn)是針對 Linux 操作系統(tǒng)的，加載的 kernel 鏡像也是 Linux kernel 生成。 （ 2） 編程語言 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)板級的支持上，則使用 C 語言，以提高代碼的可讀性以及層次性。 （ 3） 編譯環(huán)境 本文所使用的編譯工具均為 GNU 的編譯工具。其主要包括匯編器 as、 C 編譯器 gcc、 C++編譯器 g++、連接器 ld 和相關(guān)的二進制轉(zhuǎn)換工具，而基于 ARM平臺的工具分別為 armlinuxas、 armlinuxgcc、 armlinuxg++、 armlinuxld，這些也是平常所說的交叉編譯工具。 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。 一般地， GNU 工具地開發(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）用二進制轉(zhuǎn)換工具生成可下載的二進制代碼。 在后 面 篇幅介紹具體 bootloader 的實現(xiàn)時，基本就根據(jù)以上流程進行開發(fā)。 26 Bootloader 的總體設(shè)計 階段設(shè)計 在前面的章節(jié)中，已經(jīng)介紹過 bootloader 的啟動可以是分階段的。在設(shè)計時，我們將 bootloader 分為兩個階段 ：階段 1 和階段 2。分為兩個階段的原因是因為：（ 1）基于編程語言的考慮。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。（ 2）代碼具有更好的可讀性與移植性：若對于相同的 CPU 以及存儲設(shè)備，要增加外設(shè)支持，階段 1 的代碼可以維護不變，只對階段 2 的代碼 進行修改；若要支持不同的 CPU，則基礎(chǔ)代碼只需在階段 1 中修改。 地址規(guī)劃設(shè)計 當(dāng) 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(zhǔn)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。 對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；對于 64M的 SDRAM，則對應(yīng) S3C2440A的 SDRAM BANK0，映射到 0x3000000處。 S3C2440AL 系統(tǒng)復(fù)位后，從物理地址的 0x00000000 開始執(zhí)行第一段代碼，這個地址是由 CPU 制造商預(yù)先安排的。而我們基于 S3C2440A 構(gòu)建的系統(tǒng)將固態(tài)存儲設(shè)備 FLASH 映射到這個地址上。當(dāng) Bootloader 放到 FLASH 的起始處后，系統(tǒng)加電或者復(fù)位后， CPU 將首先執(zhí)行 bootloader 程序。 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 中運行，這樣做是因為基于運行速度的考慮，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)存儲設(shè)備中直接運行。所以bootloader 在啟動時以及加載內(nèi)核時通常要考慮這一點。下圖為具體的存儲布局圖： 27 圖 Uboot存儲映射圖 模式設(shè)計 對于普通用戶來說只需要 bootloader 的啟動加載模式，但是對于開發(fā)者來說，則需要下載模式，因為他們需要時時刻刻地進行一些鏡像的更新。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。模式的轉(zhuǎn)換設(shè)計主要在階段 2 中實現(xiàn)。 綜合起來，整個 bootloader 的實現(xiàn)流程可以如下圖所示： 28 圖 stage1 29 圖 stage2 30 Flash 啟動過程中的函數(shù)調(diào)用流程： 圖 Bootloader 的具體實現(xiàn) 從本節(jié)開始介紹本課題的 bootloader 的具體代碼實現(xiàn)。 階段 1 的代碼實現(xiàn) 本課題將階段 1 中的這段匯編文件命名為 。 （ 1） 定義 CPU 工作模式為管理模式，工作狀態(tài)為 ARM 狀態(tài)并且關(guān)閉普通中斷(IRQ)和快速中斷 (FIQ)。 31 mrs r0,cpsr bic r0,r0,0x1f orr r0,r0,0xd3 msr cpsr,r0 （ 2）通過宏定義方式定義各寄存器。 （ 3）關(guān)閉 watchdog 定時器，清中斷位。 if defined(CONFIG_S3C2400) define pWTCON 0x15300000 define INTMSK 0x14400008 /* InteruptController base addresses */ define CLKDIVN0x14800014 /* clock divisor register */ elif defined(CONFIG_S3C2410) define pWTCON 0x53000000 define INTMOD 0X4A000004 define INTMSK 0x4A000008 /* InteruptController base addresses */ define INTSUBMSK 0x4A00001C define CLKDIVN0x4C000014 /* clock divisor register */ endif if defined(CONFIG_S3C2440) ldr r0, =pWTCON mov r1, 0x0 str r1, [r0] mov r1, 0xffffffff ldr r0, =INTMSK str r1, [r0] 32 mov r0, 0 mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* flush v3/v4 cache */ mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 /* flush v4 TLB */ （ 4）關(guān)閉 MMU，內(nèi)部指令 /數(shù)據(jù) cache 以及寫緩沖區(qū)， ARM 體系 bootloader中都無需 MMU 的功能，所有的地址都直接使用物理地址； cache 也都關(guān)閉，原因可參看上一章相關(guān)內(nèi)容 。 （ 5）清空 TLB， Caches 以及寫緩沖區(qū)，當(dāng)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。 （ 6）對 SDRAM 內(nèi)存初始化。 （ 7）設(shè)置堆棧。 mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 bic r0, r0, 0x00002300 bic r0, r0, 0x00000087 orr r0, r0, 0x00000002 orr r0, r0, 0x00001000 mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 lowlevel_init: ldr r0, =SMRDATA ldr r1, _TEXT_BASE sub r0, r0, r1 ldr r1, =BWSCON /* Bus Width Status Controller */ add r2, r0, 13*4 0: ldr r3, [r0], 4 str r3, [r1], 4 cmp r2, r0 b