【正文】 ，也即啟動(dòng)過(guò)程可以分為stage 1和stage 2兩部分。Bootloader的啟動(dòng)過(guò)程可以是單階段的，也可以是多階段的。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(lài)于具體的嵌入式板級(jí)設(shè)備的配置。通過(guò)這段小程序，我們可以初始化必要的硬件設(shè)備，創(chuàng)建內(nèi)核需要的一些信息并將這些信息通過(guò)相關(guān)機(jī)制傳遞給內(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。在嵌入式Linux中, 。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的基本概念一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)從軟件的角度看通常可以分為四個(gè)層次：引導(dǎo)加載序、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)、用戶(hù)應(yīng)用程序。4 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。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)?！? 將程序計(jì)數(shù)器值PC設(shè)置成該異常中斷的中斷向量地址，從而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常中斷處理程序處執(zhí)行?！? 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。下面是ARM體系中各異常中斷向量的描述表： 異常中斷向量表 ARM處理器對(duì)異常中斷的響應(yīng)過(guò)程如下： ★ 保存處理器當(dāng)前狀態(tài)、中斷屏蔽位以及各條件標(biāo)志位。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。它可以放在存儲(chǔ)地址的低端，也可以放在存儲(chǔ)地址的高端。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?！? 通過(guò)跳轉(zhuǎn)指令，程序可以跳轉(zhuǎn)到特定的地址標(biāo)號(hào)處執(zhí)行，或者跳轉(zhuǎn)到特定的子程序處執(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：★ 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)。ARM指令包括60多個(gè)指令，并且支持多種尋址方式：寄存器尋址、立即數(shù)尋址、寄存器間接尋址、寄存器變址尋址、多寄存器尋址、堆棧尋址、塊拷貝尋址以及相對(duì)尋址等。★ Rd 位12－15，目標(biāo)寄存器編碼?！? S 位20，表示結(jié)果是否影響狀態(tài)寄存器標(biāo)志位：1影響，0不影響?！? I 位25，決定operand2的格式。ARM指令按功能大致可以分為跳轉(zhuǎn)指令、數(shù)據(jù)處理指令、乘法類(lèi)指令、數(shù)據(jù)傳送指令、協(xié)處理器類(lèi)指令以及雜項(xiàng)指令（包括狀態(tài)寄存器傳送指令、乘法類(lèi)指令、軟件中斷指令和斷點(diǎn)指令）。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。因此ARM指令中還包括了多條協(xié)處理器指令，使用多達(dá)16個(gè)協(xié)處理器，允許將其他處理器通過(guò)協(xié)處理器接口進(jìn)行緊耦合；ARM還包括幾種內(nèi)存管理單元的變種，包括簡(jiǎn)單的內(nèi)存保護(hù)到復(fù)雜的頁(yè)面層次。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。根據(jù)cond的不同編碼，可以選擇根據(jù)條件碼標(biāo)志決定指令的執(zhí)行。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。這種存儲(chǔ)器格式如下圖所示： bigendian格式的存儲(chǔ)系統(tǒng)在littleendian格式中，地址為A的字單元包括字節(jié)單元A、A+A+A+3，其中字節(jié)單元由高位到低位字節(jié)順序?yàn)锳＋A+A+A；地址為A的字單元包括半字單元A、A+2，其中半字單元由高位到低位字節(jié)順序?yàn)锳＋A；地址為A的半字單元包括字節(jié)單元A、A+1，其中字節(jié)單元由高位到低位字節(jié)順序?yàn)锳＋A。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。地址為A的字?jǐn)?shù)包括地址A、A+A+A+3這4個(gè)字節(jié)單元的內(nèi)容。ARM的地址空間也可以看作是230個(gè)32位的字單元。該地址空間的大小232個(gè)8位字節(jié)。 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。 F：快速中斷禁止位；F＝1時(shí)禁止FIQ中斷。 CPSR的低8位稱(chēng)為控制位，當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)這些位發(fā)生改變。大部分的ARM指令可以根據(jù)CPSR中的這些條件標(biāo)志位來(lái)選擇性地執(zhí)行。當(dāng)用戶(hù)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。在異常中斷返回退出時(shí)，可以用SPSR種保存的值來(lái)恢復(fù)CPSR。每一種處理器異常模式下都有一個(gè)專(zhuān)用的物理狀態(tài)寄存器，稱(chēng)為SPSR（備份程序狀態(tài)寄存器）。CPSR（當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器）可以在任何處理器模式下被訪問(wèn)。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。 程序計(jì)數(shù)器R15又被記作PC。當(dāng)通過(guò)跳轉(zhuǎn)指令調(diào)用子程序時(shí)，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(jì)數(shù)器PC中時(shí)，子程序返回。R13寄存器對(duì)應(yīng)6個(gè)不同的物理寄存器，即除了前面提過(guò)的用戶(hù)模式與系統(tǒng)模式共用一個(gè)寄存器外，其它模式都有相應(yīng)的物理寄存器；一般地，R13寄存器在ARM中通常用作棧指針，在ARM指令中這只是一種習(xí)慣的用法，并沒(méi)有任何指令強(qiáng)制性的使用R13作為棧指針。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。 ARM寄存器組介紹 ARM處理器一般共有37個(gè)寄存器，其中包括：★ 31個(gè)通用寄存器，包括程序計(jì)數(shù)器（PC）在內(nèi)，這些寄存器都是32位寄存器；★ 6個(gè)狀態(tài)寄存器，這些寄存器也是32位寄存器；上一節(jié)已經(jīng)說(shuō)過(guò)，ARM處理器共有7種不同的處理器模式，在每一種處理器模式中有一組相應(yīng)的寄存器。但是系統(tǒng)模式屬于特權(quán)模式，可以訪問(wèn)所有的系統(tǒng)資源，也可以直接進(jìn)行處理器模式的切換，它主要供操作系統(tǒng)任務(wù)使用。在每一種異常模式中都有一組寄存器，供相應(yīng)的異常處理程序使用，這樣就可以保證在進(jìn)入異常模式時(shí)，用戶(hù)模式下的寄存器（保證了程序運(yùn)行狀態(tài)）不被破壞。這種體系結(jié)構(gòu)可以使操作系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)的資源。大多數(shù)的用戶(hù)程序運(yùn)行在用戶(hù)模式下，這時(shí)，應(yīng)用程序不能夠訪問(wèn)一些受操作系統(tǒng)保護(hù)的系統(tǒng)資源，應(yīng)用程序也不能直接進(jìn)行處理器模式的切換。其中，除系統(tǒng)模式外，其他5種特權(quán)模式又稱(chēng)為異常模式。 ARM處理器模式ARM處理器共有7種運(yùn)行模式，：表格 ARM處理器模式 除了用戶(hù)模式之外的其他6種處理器模式稱(chēng)為特權(quán)模式（Privileged Modes）。因此。6. 寄存器：具體參考下節(jié)相關(guān)介紹。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。ARM為提高運(yùn)算速度，則采用兩位乘法的方法，根據(jù)乘數(shù)的2位來(lái)實(shí)現(xiàn)“加一移位”運(yùn)算 ；ARM高速乘法器采用328位的結(jié)構(gòu)，這樣，可以降低集成度（其相應(yīng)芯片面積不到并行乘法器的1/3）。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。它由32位ALU、若干個(gè)32位通用寄存器以及狀態(tài)寄存器、328位乘法器、3232位桶形移位寄存器、指令譯碼以及控制邏輯、指令流水線和數(shù)據(jù)/地址寄存器組成。 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。3 ARM體系結(jié)構(gòu)介紹在介紹具體的ARM Bootloader的實(shí)現(xiàn)之前，首先介紹一下ARM的體系結(jié)構(gòu)，因?yàn)锽ootloader是與處理器芯片緊密相連的。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(zhuān)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。雙核協(xié)同工作，各用所長(zhǎng)，有效地提高了數(shù)據(jù)處理能力核傳輸速度，但是RISC+DSP分立的雙核結(jié)構(gòu)存在兩核之間互相通信的困難和分別編程的麻煩，為此發(fā)展了兩核融合在一起的單核結(jié)構(gòu)，同時(shí)將指令集也合二為一，簡(jiǎn)化編程提高效率，將CPU提升到可快速運(yùn)算多媒體的算法，實(shí)現(xiàn)許多音視頻的解碼功能。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。★ 大量使用寄存器，數(shù)據(jù)處理指令只對(duì)寄存器進(jìn)行操作，只有加載/ 存儲(chǔ)指令可以訪問(wèn)存儲(chǔ)器，以提高指令的執(zhí)行效率。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?；谝陨系牟缓侠硇?，1979年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校提出了RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）的概念，RISC并非只是簡(jiǎn)單地去減少指令，而是把著眼點(diǎn)放在了如何使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理地提高運(yùn)算速度上。 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％?！　ntel StrongARM處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的理想選擇，已成功應(yīng)用于多家公司的掌上電腦系列產(chǎn)品（6）Intel Xscale微處理器系列有關(guān)Intel Xscale微處理器系列，會(huì)在后面相關(guān)篇幅中進(jìn)行介紹。（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?！　RM10E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、通信和信息系統(tǒng)等領(lǐng)域?！?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VFP10浮點(diǎn)處理協(xié)處理器。★ 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集?！　RM10E系列微處理器的主要特點(diǎn)如下：★ 支持DSP指令集，適合于需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合?！　RM9E系列微處理器包含ARM926EJS、ARM946ES和ARM966ES三種類(lèi)型，以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。★ 主頻最高可達(dá)300MIPS。★ MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)?！?支持VFP9浮點(diǎn)處理協(xié)處理器?！?支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集?！　RM9E系列微處理器的主要特點(diǎn)如下：★ 支持DSP指令集，適合于需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合。 （3）ARM9E微處理器系列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。　　ARM9系列微處理器主要應(yīng)用于無(wú)線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等?！?MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。★ 支持32位的高速AMBA總線接口?！?。（2）ARM9微處理器系列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?！　RM7系列微處理器包括如下幾種類(lèi)型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMIS、ARM720T、ARM7EJ。 ★ 主頻最高可達(dá)130MIPS，高速的運(yùn)算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復(fù)雜應(yīng)用。★ 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。ARM體系有變種，也就是說(shuō)有些版本具備特定功能，在各個(gè)版本的版本號(hào)上可以體現(xiàn)出來(lái)，說(shuō)明如下：T： 支持16位壓縮指令集Thumb；　　D： 支持片上Debug；M：內(nèi)嵌硬件乘法器（Multiplier），增加用于長(zhǎng)乘法操作的指令；　　I： 嵌入式ICE，支持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)；E：增強(qiáng)型DSP指令；ARM構(gòu)架誕生至今，已經(jīng)產(chǎn)生了多次變革，每一次都帶來(lái)性能上的極大飛躍，其過(guò)程包括：★ V1構(gòu)架（ARM1） 基本的數(shù)據(jù)處理指令（無(wú)乘法） 字節(jié)、半字和字的Load/Store指令轉(zhuǎn)移指令，包括子程序的調(diào)用和鏈接指令軟件中斷指令尋址空間64MB★ V2構(gòu)架（ARM2，ARM3）增加乘法和乘法指令增加支持協(xié)處理器的操作增加快速中斷模式增加SWP/SWPB的存儲(chǔ)器和寄存器交換指令★ V3構(gòu)架（ARM6）增加了MRS/MSR指令，訪問(wèn)新增的CPSR/SPSR寄存器增加了異常處理返回尋址空間4GB★ V4構(gòu)架（ARM7, ARM9）增加符號(hào)化和非符號(hào)化半字及符號(hào)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(gòu)架（ARM10）帶有鏈接和交換的轉(zhuǎn)移BLX指令計(jì)數(shù)前導(dǎo)零CLZ指令BRK中斷指令增加了一