ARM7嵌入式系統(tǒng)中Bootloader分析與設(shè)計(jì)

作為一種16/32位的高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC（Reduced Instruction Set Computer）微處理器，ARM(Advanced RISC Machines )微處理器目前已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛的嵌入式微處理器[1]。在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中Bootloader常常是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中可能遇到的第一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。應(yīng)用程序運(yùn)行環(huán)境能否正確構(gòu)建，內(nèi)核能否啟動(dòng)成功，都取決于Bootloader能否正確的工作。一個(gè)功能完善的嵌入式系統(tǒng)Bootloader還要求能夠提供系統(tǒng)更新的能力，以及為了實(shí)現(xiàn)這一操作所需要的一個(gè)簡(jiǎn)單的命令控制臺(tái)。本文在基于ARM7-uClinux嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上，描述了系統(tǒng)引導(dǎo)程序Bootloader的設(shè)計(jì)原理，闡述了設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素和需解決的技術(shù)難點(diǎn)并給出了一套可行的引導(dǎo)程序流程。

2.系統(tǒng)組成

典型的ARM嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)一般包括一個(gè)以ARM為內(nèi)核的處理器、存儲(chǔ)器和必要的外部接口與設(shè)備。在本系統(tǒng)中采用內(nèi)嵌ARM7TDMI的Samsung公司S3C4510B處理器，存儲(chǔ)器使用2MB的Flash和16MB的SDRAM，外部接口除了可用于下載和通信的串口，還配備了一個(gè)以太網(wǎng)接口以支持S3C4510B的網(wǎng)絡(luò)功能。

軟件平臺(tái)由系統(tǒng)引導(dǎo)程序、嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)組成，系統(tǒng)引導(dǎo)程序通常即指我們這里的Bootloader，其代碼量雖少但是作用非常大，相當(dāng)于普通PC機(jī)中的BIOS。通過(guò)Bootloader，我們可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。

3.Bootloader 設(shè)計(jì)分析

3.1 Bootloader 的操作模式 (Operation Mode)

大多數(shù) Bootloader 都包含兩種不同的操作模式[2]：

(1). 啟動(dòng)加載（Boot loading）模式：也稱為“自主”模式。即Bootloader 從目標(biāo)機(jī)上的某個(gè)固態(tài)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)程并沒(méi)有用戶的介入。

(2).下載（Downloading）模式：在這種模式下，目標(biāo)機(jī)上的Bootloader將通過(guò)串口或網(wǎng)絡(luò)連接等通信手段從主機(jī)（Host）下載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像等，然后保存到目標(biāo)機(jī)上的FLASH 類固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備中。Bootloader的這種模式通常在系統(tǒng)初次安裝和更新時(shí)被使用，工作于這種模式下的Bootloader通常都會(huì)向它的終端用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單的命令行接口。

在我們的Bootloader設(shè)計(jì)中我們同時(shí)支持這兩種工作模式，采用的方法是：一開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)處于正常的啟動(dòng)加載模式，但并不立即啟動(dòng)進(jìn)入uClinux內(nèi)核，而是提示延時(shí)5秒，等待終端用戶如果按下某一特定按鍵，則切換到下載模式，否則繼續(xù)啟動(dòng)uCLinux 內(nèi)核。

3.2 Bootloader 的啟動(dòng)及初始化

基于ARM的芯片多數(shù)為復(fù)雜的片上系統(tǒng)（SoC），這類復(fù)雜系統(tǒng)里的多數(shù)硬件模塊都是可配置的[3]。因此大多數(shù) Bootloader 都分為 stage1 和 stage2 兩大部分。依賴于 CPU 體系結(jié)構(gòu)的代碼，通常都放在 stage1 中，而且在這一部分，我們直接對(duì)處理器內(nèi)核和硬件控制器進(jìn)行編程，因此常常都用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。而stage2則通常用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，而且代碼會(huì)具有更好的可讀性和可移植性。

3.2.1 Bootloader的stage1

這部分代碼必須首先完成一些基本的硬件初始化，為stage2的執(zhí)行以及隨后的kernel 的執(zhí)行準(zhǔn)備好一些基本的硬件環(huán)境[2]。Bootloader的stage1一般通用的內(nèi)容包括：

* 定義程序入口點(diǎn)

* 設(shè)置異常向量表

* 初始化存儲(chǔ)系統(tǒng)（包括地址重映射）

* 初始化有特殊要求的端口，設(shè)備

* 初始化用戶程序的執(zhí)行環(huán)境

* 初始化堆棧指針寄存器，必要時(shí)改變處理器的模式

* 設(shè)置FIQ/IRQ中斷處理程序入口

* 進(jìn)入C程序

在整個(gè)Bootloader的初始化過(guò)程中我們都不必響應(yīng)中斷，因此首先禁止系統(tǒng)的中斷，然后程序設(shè)置CPU的速度和時(shí)鐘頻率，設(shè)置CPU內(nèi)部指令／數(shù)據(jù)cache，DRAM初始化，DRAM初始化完成后即可拷貝ROM中的代碼到DRAM中，然后內(nèi)存重映射，程序開(kāi)始進(jìn)入DRAM中執(zhí)行，然后再初始化一些用戶有特殊要求的端口、設(shè)備，比如LED或串口等，可以通過(guò)點(diǎn)亮LED，或者向串口打印一些調(diào)試信息，以此表明系統(tǒng)的狀態(tài)是OK還是Error。然后準(zhǔn)備進(jìn)入C語(yǔ)言代碼：拷貝Bootloader的RW/RO 段到相應(yīng)的運(yùn)行位置，初始化ZI段，初始化系統(tǒng)堆棧，設(shè)置FIQ/IRQ中斷處理程序入口，設(shè)置完成就可以進(jìn)入到C代碼了。

3.2.2 Bootloader的stage2

為了讓程序跳入C語(yǔ)言的“main”函數(shù)，我們采用直接將pc指針指向“main”函數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)代碼如下：

[ THUMBCODE ; [ = IF , 如果是匯編Thumb代碼，則采用bx指令跳轉(zhuǎn)

bx lr

| ; | = ELSE

mov pc, lr ; 匯編ARM代碼，則直接跳轉(zhuǎn)到main函數(shù)

] ; ] = ENDIF

進(jìn)入main函數(shù)后即可以開(kāi)始本階段stage2的初始化任務(wù)，這包括：

（1）初始化至少一個(gè)串口，以便和終端用戶進(jìn)行交互；

（2）初始化計(jì)時(shí)器，延時(shí)并提示啟動(dòng)模式的選擇，如果進(jìn)入啟動(dòng)加載模式，則系統(tǒng)控制權(quán)交由uClinux操作系統(tǒng)，Bootloader功成身退，否則程序繼續(xù)向下執(zhí)行。

（3）初始化網(wǎng)絡(luò)，包括網(wǎng)絡(luò)基本信息配置等；

（5）如果系統(tǒng)配有LCD等外設(shè)，可以在此初始化；

（6）初始化Flash：檢測(cè)是否支持該Flash芯片（可通過(guò)比較Flash ID的方式實(shí)現(xiàn)）；

（7）初始化中斷，包括屏蔽中斷，清除中斷懸掛標(biāo)志，初始化中斷向量表，注冊(cè)需要的中斷處理函數(shù)等。

（8）初始化命令控制臺(tái)，等待用戶鍵入命令。

在初始化這些設(shè)備之前，也可以改變 LED 燈的狀態(tài)，以表明我們已經(jīng)進(jìn)入main函數(shù)執(zhí)行。設(shè)備初始化完成后，可以通過(guò)串口輸出一些打印信息，如程序名字字符串、版本號(hào)等。本系統(tǒng)中采用的系統(tǒng)啟動(dòng)引導(dǎo)方案流程圖如圖1所示。

4.難點(diǎn)分析

4.1異常及中斷處理

在ARM支持的7種模式中，共有5種異常模式，而其中又尤以外部中斷模式（IRQ）應(yīng)用較為廣泛，其異常處理過(guò)程也較為復(fù)雜。本文下面將以IRQ異常處理為例，講述一個(gè)通用的中斷使用及處理過(guò)程。一個(gè)ARM通用的中斷處理過(guò)程大致可以分為以下3步：

（1） 異常響應(yīng)：獲取異常處理程序入口地址，并進(jìn)入異常處理程序；

（2） 現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)及恢復(fù)：即進(jìn)入中斷服務(wù)程序（ISR）前后中斷現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)和恢復(fù)；

（3） 中斷服務(wù)：計(jì)算中斷源索引號(hào)，清中斷，然后進(jìn)入中斷服務(wù)。

本例中IRQ異常處理相關(guān)代碼如下：

ResetEntry

b SYS_RST_HANDLER ;復(fù)位異常

......

b IRQ_SVC_HANDLER ;外部中斷請(qǐng)求

MACRO ;通過(guò)一個(gè)宏定義，統(tǒng)一處理各異常處理程序與異常向量地址的映射關(guān)系

$HandlerLabel HANDLER $ExceptHandler

$HandlerLabel

sub sp,sp,#4 ;預(yù)留一個(gè)字的空間用來(lái)保存PC的跳轉(zhuǎn)地址

stmfd sp!,{r0} ;保存下面中斷處理中使用到的r0寄存器

ldr r0,=$ExceptHandler ;將保存有異常處理函數(shù)入口的地址讀入r0

ldr r0,[r0] ;將異常處理函數(shù)入口讀入r0

str r0,[sp,#4] ;將異常處理函數(shù)入口存入堆棧中剛才預(yù)留的空間

ldmfd sp!,{r0,pc} ;恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)跳入異常處理函數(shù)

MEND

IRQ_SVC_HANDLER HANDLER IrqSvcVector ;調(diào)用宏定義

......

SYS_RST_HANDLER ;復(fù)位異常時(shí)程序跳轉(zhuǎn)地址

...... ;系統(tǒng)初始化代碼

ldr r0, =IrqSvcVector

ldr r1, =IRQ_SERVICE

str r1, [r0] ;將IRQ異常處理程序入口存入變量IrqSvcVector

......

IRQ_SERVICE

STMFD sp!, {r0-r12, lr}

BL ISR_IrqHandler ;跳入C語(yǔ)言中定義的中斷服務(wù)程序（ISR）

LDMFD sp!, {r0-r12, lr}

SUBS pc, lr, #4 ;異常返回同時(shí)復(fù)制相應(yīng)SPSR到CPSR，實(shí)現(xiàn)處理器模式自動(dòng)切換

void ISR_IrqHandler(void) //C語(yǔ)言中定義的中斷服務(wù)程序

{

unsigned int IntOffSet;

IntOffSet = (unsigned int)inl(INTOFFSET);//取出中斷源索引號(hào)

Clear_PendingBit(IntOffSet>>2); //清中斷

(*InterruptHandlers[IntOffSet>>2])(); // 進(jìn)入對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)子函數(shù)

}

從上面的代碼我們可以總結(jié)得出，接收到IRQ中斷請(qǐng)求后程序的執(zhí)行流程是：

（1）執(zhí)行完當(dāng)前指令，程序自動(dòng)跳到0x18地址；

（2）從0x18 程序跳轉(zhuǎn)到IRQ_SVC_HANDLER；

（3）從IRQ_SVC_HANDLER 再到SDRAM高端異常矢量表；

（4）從SDRAM高端異常矢量表跳轉(zhuǎn)到IRQ_SERVICE異常處理程序；

（5）由IRQ_SERVICE最后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，完成中斷處理任務(wù)后返回。

4.2 命令控制臺(tái)

當(dāng)Bootloader工作在下載模式時(shí)，通常會(huì)通過(guò)串口向終端用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單的命令控制臺(tái)，為了使用的方便，我們這里對(duì)其功能進(jìn)行了擴(kuò)充，添加了命令鍵入時(shí)對(duì)鍵盤“上、下、左、右、Home、End”幾個(gè)方向鍵的支持。

通過(guò)串口收發(fā)或顯示字符時(shí)，我們使用的通常是字符的ASCII碼。對(duì)于非控制字符，也即鍵入命令時(shí)我們可能使用到的命令字符，在控制臺(tái)中我們使用了ASCII碼值從0x20～0x7e之間的字符。對(duì)于控制字符，在常用字符ASCII碼對(duì)照表中我們可以找到Enter鍵、Backspace（退格）鍵以及ESC鍵的ASCII碼，但是卻沒(méi)有上下左右方向鍵以及Home、End鍵對(duì)應(yīng)的ASCII碼，通過(guò)對(duì)鍵盤輸入字符的串口收發(fā)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，如果在測(cè)試時(shí)按下了方向鍵則串口在每次按鍵后會(huì)連續(xù)發(fā)送出3字節(jié)數(shù)據(jù)，前兩字節(jié)所有方向鍵的數(shù)據(jù)相同，分別是0x1b，0x5b，第3字節(jié)對(duì)應(yīng)不同的按鍵，上下右左方向鍵分別對(duì)應(yīng)的值為：0x41、0x42、0x43、0x44，Home和End鍵對(duì)應(yīng)的值為0x48和0x4b。故要檢測(cè)鍵盤是否鍵入了方向鍵，需要向串口連續(xù)讀取三字節(jié)的數(shù)據(jù)，同理，要控制光標(biāo)向左、向右移動(dòng)或Home、End也需要連續(xù)一次向串口發(fā)送3字節(jié)數(shù)據(jù)。命令控制臺(tái)從串口接收到字符后，程序處理的流程圖如圖2所示。

5.結(jié)束語(yǔ)

Bootloader與具體的硬件環(huán)境和操作系統(tǒng)是緊密聯(lián)系在一起，針對(duì)某個(gè)CPU芯片編寫(xiě)B(tài)ootloader代碼，首先要了解該CPU的內(nèi)核結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)，其次是具體芯片的結(jié)構(gòu)和各種片上資源，以及所采用的操作系統(tǒng)。本文給出的Bootloader代碼已經(jīng)在基于Samsung公司的S3C4510B芯片開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)板上運(yùn)行并測(cè)試通過(guò)。該Bootloader能夠正常引導(dǎo)及更新uClinux內(nèi)核，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，完全實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的，達(dá)到了嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn):

[1]. 李駒光等.ARM應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)詳解——基于S3C4510B的系統(tǒng)設(shè)計(jì). 清華大學(xué)出版社.2003 .

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http://linux.chinaunix.net/doc/embedded/2005-01-13/762.shtml

[3]. 蔡治等.基于ARM核的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中的啟動(dòng)代碼的編程.電子科技,NO6,2005