【正文】 ，當(dāng)系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜時(shí)，就需要一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)支持，否則應(yīng)用軟件就會(huì)變得過(guò)于復(fù)雜，使開(kāi)發(fā)難度過(guò)大，安全性和可靠性都難以保證。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。不同應(yīng)用對(duì)嵌入式軟件系統(tǒng)有不同的要求，并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這些要求也在不斷變化。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。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可剪裁來(lái)適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。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。因此，本文重點(diǎn)闡述了實(shí)踐上具體的設(shè)計(jì)，具體的實(shí)現(xiàn)以及簡(jiǎn)單評(píng)估了它的作用。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)。本文所要研究的就是基于ARM嵌入式系統(tǒng)通用bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。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。最近的一種趨勢(shì)是一個(gè)功能強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)通常需要一種操作系統(tǒng)來(lái)給予支持，這種操作系統(tǒng)是已經(jīng)成熟并且穩(wěn)定的，可以是嵌入式的Linux，WINCE等等。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。摘要基于ARM嵌入式系統(tǒng)的通用bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 摘要隨著移動(dòng)設(shè)備的流行和發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)。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。嵌入式系統(tǒng)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)也越來(lái)越復(fù)雜，隨之出現(xiàn)的就是可靠性大大降低。相應(yīng)地，這也給處理器提出了要求。究其原因，它的精簡(jiǎn)指令構(gòu)架為主又不放棄與復(fù)雜指令平衡的設(shè)計(jì)，使得在獲得高性能的同時(shí)又能做到低功耗。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。而在具體的實(shí)現(xiàn)上目標(biāo)是除了實(shí)現(xiàn)bootloader的基本功能外，還將它實(shí)現(xiàn)成一個(gè)更加復(fù)雜的系統(tǒng)，即增加對(duì)硬件電路板的支持，以方便開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行調(diào)試以及開(kāi)發(fā)。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。在這良好的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域得到進(jìn)一步的拓寬與發(fā)展。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)。在嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，嵌入式軟件是實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，也是計(jì)算機(jī)技術(shù)最活躍的研究方向之一。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。簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)根本沒(méi)有操作系統(tǒng)，而只是一個(gè)控制循環(huán)。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。特別是采用ARM技術(shù)IP核的各種微處理器遍及各類產(chǎn)品市場(chǎng)。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。應(yīng)該說(shuō)，ARM無(wú)處不在?，F(xiàn)在，專門為嵌入式產(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。這就產(chǎn)生了另一個(gè)相關(guān)主題bootloader。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。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。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。第二章， 詳細(xì)描述了ARM的體系結(jié)構(gòu)，包括ARM編程模型方面的內(nèi)容，簡(jiǎn)單介紹了ARM core，ARM最小系統(tǒng)的組成以及硬件系統(tǒng)相關(guān)的PXA255處理器的介紹。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。第六章， 總結(jié)與展望。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。其中，ARM是一種今年來(lái)在嵌入式系統(tǒng)中有著強(qiáng)大影響力的微處理器設(shè)計(jì)商和制造商，ARM的設(shè)計(jì)非常適合與小的電源供電系統(tǒng)。 ARM 簡(jiǎn)介 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。目前，采用ARM技術(shù)只是產(chǎn)權(quán)（IP）核的微處理器，即通常我們所說(shuō)的ARM微處理器，已經(jīng)遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、無(wú)線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)，基于ARM技術(shù)的微處理應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75％以上的市場(chǎng)份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入我們生活的各個(gè)方面。世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購(gòu)買其設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)耐鈬娐罚瑥亩纬勺约旱腁RM微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)。 ARM處理器介紹ARM處理器目前包括下面幾個(gè)系列的處理器產(chǎn)品以及其他廠商實(shí)現(xiàn)的基于ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器：ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、 ARM10E系列、SecurCore系列、Intel的Xscale系列、Intel的StrongARM系列。（1）ARM7微處理器系列[5]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?！　。?極低的功耗，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用，如便攜式產(chǎn)品?！　。?代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集?！　。?指令系統(tǒng)與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用戶的產(chǎn)品升級(jí)?！　RM7系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋汗I(yè)控制、Internet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。其中，ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，屬低端ARM處理器核。具有以下特點(diǎn)：　?。?5級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高?！　。?支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集?！　。?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)?！　。?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?！　RM9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(chǎng)合。ARM9E系列微處理器提供了增強(qiáng)的DSP處理能力，很適合于那些需要同時(shí)使用DSP和微控制器的應(yīng)用場(chǎng)合?！　。?5級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高?！　。?支持32位的高速AMBA總線接口?！　。?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)?！　。?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?！　RM9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。（4）ARM10E微處理器系列[5]　ARM10E系列微處理器具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，由于采用了新的體系結(jié)構(gòu)，與同等的ARM9器件相比較，在同樣的時(shí)鐘頻率下，性能提高了近50％，同時(shí)，ARM10E系列微處理器采用了兩種先進(jìn)的節(jié)能方式，使其功耗極低。　?。?6級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高?！　。?支持32位的高速AMBA總線接口?！　。?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)。　?。?內(nèi)嵌并行讀/寫(xiě)操作部件。　　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(chǎng)合。它融合了Intel公司的設(shè)計(jì)和處理技術(shù)以及ARM體系結(jié)構(gòu)的電源效率，采用在軟件上兼容ARMv4體系結(jié)構(gòu)、同時(shí)采用具有Intel技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)。 ARM處理器的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)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)。而余下的80％的指令卻不經(jīng)常使用，在程序設(shè)計(jì)中只占20％，顯然，這種結(jié)構(gòu)是不太合理的。RISC結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻率最高的簡(jiǎn)單指令，避免復(fù)雜指令；將指令長(zhǎng)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(lái)達(dá)到上述目的。－ 使用單周期指令，便于流水線操作執(zhí)行。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。另外，為了加速通信和多媒體中有關(guān)數(shù)字信號(hào)的處理，ARM處理器在RISC的基礎(chǔ)上增加了許多原屬DSP核中的關(guān)鍵部件。 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(jì)中十分注意低電壓、低功耗這一點(diǎn)，因而在手持式嵌入式系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。一組典型數(shù)據(jù)是：對(duì)于ARM7系列處理器，每MHz。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。下圖所示的是ARM構(gòu)架圖。1． ALU：它有兩個(gè)操作數(shù)