（计算机应用技术专业论文）嵌入式系统bootloader的设计与实现.pdf

摘要 y - 一 6 5 1 8 30 嵌入式系统是把计算机直接嵌入到应用系统中，它融合了计算机软硬件技 术，通信技术和半导体微电子技术，嵌入式设备已经越来越多地应用在现代人的 工作和生活中，它在当今的应用正变得越来越广泛。b o o t l o a d e r 作为嵌入式 系统软件的重要组成部分，对它的研究和实现无疑也具有重要的现实意义。 本文首先对嵌入式系统b o o t l o a d e r 的特点和作用进行了介绍。然后从 嵌入式系统的角度对如何实现b o o t l o a d e r 进行了比较全面的分析。 本文对嵌入式系统的硬件初始化，串u 驱动及传输协议，网口驱动及传输 协议，u s b 驱动及传输协议，f l a s h 的驱动等等都做了比较洋细的分析。并结 合e v 4 4 8 0 丌发板，给出了实现的具体细节。 最后，对已经实现的b o o t l o a d e r 进行了测试和评估，并就今后的改进 方向提出了自己的意见。 关键字：嵌入式系统；b o o t l o a d e r ；u c l i n u x a b s t r a c t v i r t u a l l ye v e r ye l e c t r o n i cd e v i c ed e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e dt o d a yi sa l le m b e d d e d s y s t e m b r i e f l y , b o o t l o a d e ri s t h ef i r s ts o f t w a r e p r o g r a mt h a tr u n sw h e na c o m p u t e rs t a r t s i ti sr e s p o n s i b l ef o rl o a d i n ga n dt r a n s f e r r i n gc o n t r o lt ot h eo p e r a t i n g s y s t e mk e r n e ls o f t w a r e t h i se s s a yi n t r o d u c e sh o wt od e s i g nb o o t l o a d e ri na n e m b e d d e d s y s t e m f i r s tt h ep a p e ri n t r o d u c e st h ef e a t u r e sa n dt h n c t i o no f b o o t l o a d e r ，t h e ni nd e t a i l a n a l y z e sb o o t l o a d e rf r o mv i e wo fe m b e d d e df i e l d ，a n db r i n g su pas y s t e m m o d e lo fb o o t l o a d e r i nt h i sp a p e r , i ta l s oh a v ead e t a i lr e s e a r c ho ns o m e p a r to fb o o t l o a d e r ，s u c h a s h a r d w a r ei n i t i a l ，u a r td r i v e ra n dt r a n s f e r p r o t o c a i ，l a n c a r dd r i v e ra n dt f l p i p p r o t o c a i ，u s b d r i v e ra n dt r a n s f e rp r o t o c a l ，f l a s hd r i v e re t c f i n a l l y , t h i sp a p e ri m p l e m e n t sa n d t e s t sb o o t l o a d e ri ne v 4 4 8 0e v a l u a t i o n b o a r d ， t h e nb r i n g su ps o r t i ea d v i c eo nt h ei m p r o v e m e n ti nt h ef u t u r e k e y w o r d ：b o o t l o a d e r ，e m b e d d e ds y s t e m ，u c l i n u x 第一章绪论 第一节引言 嵌入式系统是把计算机直接嵌入到应用系统中，它融合了计算机软硬件技 术，通信技术和半导体微电子技术，嵌入式设备已经越来越多地应用在现代人的 j t 作和生活中。 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，r i s c 型处理器具有结构简单，处理速 度快和处理功能强等特点，新型的嵌入式系统大多采用r i s i c 型处理器作为核， 如a r m 公司的a r m 。a r m 公司是嵌入式r i s c 处理器的知识产权i p 提供商， 它为a r m 架构处理器提供了a r m 处理器内核，如a r m 7 t d m i 。在本应用中， 采用的s 3 c 4 4 b o 处理器就是a r m 7 t d m i 的内核。 简单的嵌入式系统一般并不使用操作系统，只包含一些控制流程。但是当系 统所提供的功能复杂化以后，比如需要提供图形界面等等，这个时候就必须考虑 使用操作系统。 如今，在专用的嵌入式板子运行u c l i n u x 系统已经变得越来越流行。 一个嵌入式l i n u x 系统从软件的角度看通常可以分为四个层次： 1 引导加载程序。包括固化在固件( f i r m w a r e ) 中的b o o t 代码( 可选) ，和b o o t l o a d e r 两大部分。 2 l i n u x 内核。特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。 3 文件系统。包括根文件系统和建立于f l a s h 内存设备之上文件系统。通常用 r a l t ld i s k 来作为r o o t f i l e s y s t e m 。 4 用户应用程序。特定于用户的应用程序。有时在用户应用程序和内核层之间 可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。常用的嵌入式g u i 有： m i c r o w i n d o w s 和m i n i g u i 等。 引导加载程序是系统加电后运行的第一段软件代码。回忆一下p c 的体系 结构我们可以知道，p c 机中的引导加载程序由b i o s ( 其本质就是一段固件程序) 和位于硬盘m b r 中的o s b o o t l o a d e r ( 比如，l i l o 和g r u b 等) 一起组成。 b i o s 在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘m b r 中的b o o tl o a d e r 读到系统 的r a m 中，然后将控制权交给o s b o o tl o a d e r 。b o o tl o a d e r 的主要运行任务 就是将内核映象从硬盘上读到r a m 中，然后跳转到内核的入口点去运行，也 即开始启动操作系统。 而在嵌入式系统中，通常并没有像b i o s 那样的固件程序( 注，有的嵌入 式c p u 也会内嵌一段短小的启动程序) ，因此整个系统的加载启动任务就完全 4 由b o o tl o a d e r 来完成。比如在一个基于a r m 7 t d m i 内核的嵌入式系统中， 系统在上电或复位时通常都从地址0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 处开始执行，而在这个地址处安 排的通常就是系统的b o o tl o a d e r 程序。 在把u c l i n u x 移植到开发板后，这段引导程序的软件模块就是 h c a d m i c e t e k o ，它随后调用m i s c o 这个解压缩模块中的解压缩函数，解压p i g g y o 这个u e l i n u _ x 内核，把内核解到开发板的r a i n 中后，跳到内核入口处执行。 下面将从b o o tl o a d e r 的概念、b o o tl o a d e r 的主要任务、b o o tl o a d e r 的框 架结构等三个方面来讨论嵌入式系统的b o o tl o a d e r 。 第二节b o o t l o a d e r 的概念 简单地说，b o o tl o a d e r 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。 通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系 统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确 的环境。 通常，b o o tl o a d e r 是严重地依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式世界。 因此，在嵌入式世界里建立个通用的b o o tl o a d e r 几乎是不可能的。尽管如此， 我们仍然可以对b o o tl o a d e r 归纳出一些通用的概念来，以应用于各种特定的 b o o tl o a d e r 设计与实现。 1 b o o tl o a d e r 所支持的c p u 和嵌入式板 每种不同的c p u 体系结构都有不同的b o o tl o a d e r 。有些b o o tl o a d e r 也 支持多种体系结构的c p u ，比如u b o o t 就同时支持a r m 体系结构和m i p s 体系结构。除了依赖于c p u 的体系结构外，b o o tl o a d e r 实际上也依赖于具体 的嵌入式板级设备的配置。这也就是说，对于两块不同的嵌入式板而言，即使它 们是基于同一种c p u 而构建的，要想让运行在一块板子上的b o o tl o a d e r 程序 也能运行在另一块板子上，通常也都需要修改b o o tl o a d e r 的源程序。 2 b o o tl o a d e r 的安装媒介( i n s t a l l a t i o nm e d i u m ) 系统加电或复位后，所有的c p u 通常都从某个由c p u 制造商预先安排的 地址上取指令。比如，基于a r m 7 t d m ig o r e 的c p u 在复位时通常都从地址 o x 0 0 0 0 0 0 0 0 取它的第一条指令。而基于c p u 构建的嵌入式系统通常都有某种 类型的固态存储设备( 比如：r o m 、e e p r o m 或f l a s h 等) 被映射到这个预先 安排的地址上。因此在系统加电后，c p u 将首先执行b o o tl o a d e r 程序。 3 用来控制b o o tl o a d e r 的设备或机制 主机和目标机之间一般通过串口建立连接，b o o tl o a d e r 软件在执行时通常 会通过串口来进行i o ，比如：输出打印信息到串口，从串口读取用户控制字符 等。 4 b o o tl o a d e r 的启动过程是单阶段( s i n g l e s t a g e ) 还是多阶段( m u l t i s t a g e ) 通常多阶段的b o o tl o a d e r 能提供更为复杂的功能，以及更好的可移植性。 从固态存储设备上启动的b o o tl o a d e r 大多都是2 阶段的启动过程，也即启动 过程可以分为s t a g el 和s t a g e2 两部分。而至于在s t a g e1 和s t a g e2 具体完 成哪些任务将在下面讨论。 5 b o o tl o a d e r 的操作模式( o p e r a t i o nm o d e ) 大多数b o o tl o a d e r 都包含两种不同的操作模式：”启动”模式和”下载调试” 模式，这种区别仅对于开发人员才有意义。但从最终用户的角度看，b o o tl o a d e r 的作用就是用来加载操作系统，而并不存在所谓的启动模式与下载调试模式的区 别。 启动模式：这种模式也称为”自主”( a u t o n o m o u s ) 模式。也即b o o t l o a d e r 从 目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到r a m 中运行，整个过程并 没有用户的介入。这种模式是b o o tl o a d e r 的正常工作模式，因此在嵌入式产品 发布的时侯，b o o tl o a d e r 显然必须工作在这种模式下。 下载调试模式：在这种模式下，目标机上的b o o t l o a d e r 将通过串口连接或 网络连接等通信手段从主机( h o s t ) 下载文件，比如：下载内核映像和根文件系 统映像等。从主机下载的文件通常首先被b o o tl o a d e r 保存到目标机的r a m 中，然后再被b o o tl o a d e r 写到目标机上的f l a s h 类固态存储设备中。b o o t l o a d e r 的这种模式通常在第一次安装内核与根文件系统时被使用；此外，以后 的系统更新也会使用b o o tl o a d e r 的这种工作模式。工作于这种模式下的b o o t l o a d e r 通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。 像b l o b 或u b o o t 等这样功能强大的b o o tl o a d e r 通常同时支持这两种 工作模式，而且允许用户在这两种工作模式之间进行切换。比如，b l o b 在启动 时处于正常的启动加载模式，但是它会延时1 0 秒等待终端用户按下任意键而将 b l o b 切换到下载模式。如果在1 0 秒内没有用户按键，则b l o b 继续启动l i n u x 内核。 6 b o o t l o a d e r 与主机之间进行文件传输所用的通信设备及协议 最常见的情况就是，目标机上的b o o tl o a d e r 通过串口与主机之间进行文件 传输，传输协议通常是x m o d e m y m o d e m z m o d e m k e r m i t 协议中的一种。 在本应用中，开发了串口驱动，使用了x m o d e m 作为传输协议。但是，串口传 输的速度是有限的，因此可以通过其它方式来下载文件。 一种是通过以太网连接并借助t f t p 协议来下载文件。这就涉及到以太网 6 卡的驱动及相关i p 协议栈的开发实现，在本文的第四章中详细介绍了这部分的 内容。 另一种则是通过u s b 接口并开发相应协议来下载文件。这涉及到u s b 芯片 的驱动及主机驱动程序的开发。在本文的第五章中详细介绍了这部分的内容。 此外，在论及这个话题时，主机方所用的软件也要考虑。比如，在通过以太 网连接和t f t p 协议来下载文件时，主机方必须有一个软件t f t p s e r v e r 用来的提 供t f t p 服务。 在通过u s b 接1 ：3 连接来下载文件时，主机方必须有一个软件u s b d o w n l o a d 用来提供服务。 第二章b o o t l o a d e r 的总体介绍 第一节b o o t l o a i ) e r 的主要任务和结构框架 在第一章中已经提到，b o o t l o a d e r 包括两种操作模式，个是启动模式， 个是下载模式。 在启动模式下，b o o t l o a d e r 的主要任务是从主机上快速传送u c l l n u x 内核到开发板的r a m 上，正确地调用内核来执行，如果需要的话，还要把r a m 中的u c l i n u x 内核写到f l a s h 中。 为此目标，在系统上电后，首先进入启动模式，并开始启动一个计数器，在 1 0 秒内允许用户中断启动模式，进入下载调试模式。如果在1 0 秒内，用户不中 断启动模式，则随即自动用t f t p 方式传送u c l i n u x 内核到开发板的r a m 中 特定地址中去，传送完毕后，自动启动u c l i n u x 内核。 如果在规定时间内，用户中断启动模式，进入下载调试模式。则系统提供了 大量的命令供用户使用，主要命令简要介绍如下： 1 ) 文件传送类命令 总共提供了三个文件传送类命令。 u a r t l o a d ：该命令从串行通信口用x m o d e m 协议传送文件到开发板内存。 t f t p _ _ l o a d ：该命令从网口用t f t p 协议传送文件到开发板内存。 u s b l o a d ：该命令从u s b 口用b u l k u s b 协议传送文件到开发板内存。 2 ) 内存调试类命令 md i s p l a y ：该命令用于显示内存的值。 mm o d i f y ：该命令用于修改内存的值。 3 ) f l a s h 操作命令： fe r a s e ：提供多种方式实现对f l a s h 的修改和删除。 4 ) 运行命令： g o ：从指定地址开始运行程序。 另外，由于b o o t l o a d e r 的实现依赖于c p u 的体系结构，因此大多数 b o o t l o a d e r 都分为s t a g e i 和s t a g e 2 两大部分。依赖于c p u 体系结构的代码， 比如设备初始化代码等，通常都放在s t a g e l 中，而且通常都用汇编语言来实现， 以达到短小精悍的目的。而s t a g e 2 则通常用c 语言来实现，这样可以实现较复 杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。 b o o t l o a d e r 的s t a g e l 通常包括以下步骤： 硬件设备初始化。 为加载b o o tl o a d e r 的s t a g e 2 准备r a m 空问。 拷贝b o o t l o a d e r 的s t a g e 2 到r a m 空间中。 设置好堆栈。 跳转到s t a g e 2 的c 入口点。 b o o tl o a d e r 的s t a g e 2 通常包括以下步骤： 初始化本阶段要使用到的硬件设备。 检测系统内存映射( m e m o r ym a p ) 。 驱动各外部设备( 串口，网口，u s b 口) 在下载调试模式下，接收外部命令，与主机进行各种通信。 在启动模式下，跳到u c l i n u x 中运行操作系统。 下图阐述了b o o t l o a d e r 的存储器映射 图2 1b o o t l o a d e r 的存储器映射 9 第二节硬件的开发环境和硬件的初始化 硬件环境：e v 4 4 8 0 丁f = 发板。它是适合三星$ 3 c 4 4 8 0 微处理器手持设备和 通用应用的代码开发平台。它由$ 3 c 4 4 8 0 处理器，b o o tf l a s h ，s d r a m ， l c d 接口，两个串行通信接口，以太网接口，u s b 接口，键盘接口，i i s ( 声音) 接口，r t c ，j t a g 接口和八段数码管组成。 s 3 c 4 4 b o x 由1 6 3 2 位r i s c ( a r m 7 t d m i ) c p u 核，8 k bc a c h e ，可选的内 部s r a m ，l c d 控制器，带握手协议的双通道u a r t ，4 通道d m a ，系统管理 器( 片选逻辑，f p e d o s d r a m 控制器) ，6 通道带p w m 定时器，7 l 位通用i o 端口，r t c ，8 通道l o 位a d c ，i i c 总线接口，i i s 总线接口，s y n c s i o 接口和 时钟p l l 组成。 系统硬件框图如下： 网圈曰 固日 国曰 图2 2系统硬件框图 基于a i t m 的芯片多数为复杂的片上系统，这种复杂系统里的多数硬件模块 都是可配置的，需要由软件来设置其需要的工作状态。因此在用户的应用程序之 前，需要由专门的一段代码来完成对系统的初始化。由于这类代码直接面对处理 器内核和硬件控制器进行编程，一般都是用汇编语言。 1 0 曰 圈因 下面先简单介绍一下板子初始化的流程，流程图如下所示： 否 三困 禁止中断 l l初始化c l o c kc o n t r o lr e g i s t e r j l初始化m e m o r yc o n t r o l l e r 图2 3 硬件初始化流程 中断向量表 a r m 要求中断向量表必须放置在从0 地址开始，连续的8 个4 字节的空间内。 每当一个中断发生以后，a r m 处理器便强制把p c 指针置为向量表中对应中断类 型的地址值。因为每个中断只占据向量表中1 个字的存储空间，只能放置一条 a r m 指令，使程序跳转到存储器的其他地方，再执行中断处理。 中断向量表的程序实现通常如下表示： e n t r y ： br e s e t h a n d l e r bu n d e f h a n d l e r bs w i h a n d l e r bp r e a b o r t h a n d l e r bd a t a a b o r t h a n d l e r n o p b i r q h a n d l e r b f i q h a n d l e r 其中关键字e n t r y 是指定编译器保留这段代码，因为编译器可能会认为这是一 段亢余代码而加以优化。链接的时候要确保这段代码被链接在0 地址处，并且作 为整个程序的入口。 初始化存储器系统 s 3 c 4 4 b o x 有6 个r o m s r a m 槽( r o m 0 槽用于b o o tr o m ) 和2 个r o m s r a m ， e d o s d r a m 槽。 s 3 c 4 4 b o x 上的系统管理器可以通过软件控制访问时间和每个槽的数据总线宽 度。其中数据总线宽度由b w s c o n 控制寄存器控制，访问时间由系统管理器上 的b a n k c o n o 7 控制寄存器控制。 槽6 、7 上的存储器类型必须一致( 例如r o m & r o m ，s d 洲& s d r a m ) 。r o m 槽0 用来作为b o o tr o m 插槽。 在系统r e s e t 的时候，执行对b w s c o n ，b a n k c o n 0 7 ，r e f r e s h ，b a n k s i z e ， m r s r b 6 7 的控制，使用的是一些特殊命令，如l d m i a 和s t m i a 。 对特殊寄存器进行配置的示例代码如下： l d rr 0 = s m r d a t a l d m i a r 0 ， r l r 1 3 l d rr o ，= r e 臣_ b w s c o n b w s c o na d d r e s s + s t m i a r 0 ， r l r 1 3 s m r d a t a 这个地址中存放了将要赋给各相关寄存器的值。 这些值依次赋给从b w s c o n 开始的这十三个寄存器。 初始化堆栈 因为a r m 有7 种执行状态，而每一种状态的堆栈指针寄存器( s p ) 都是独立的。 因此，对程序中需要用到的每一种模式都要给s p 定义一个堆栈地址。方法是改 变状态寄存器内的状态位，使处理器切换到不同的状态，然后给s p 赋值。 第三节软件的开发环境和软件部分的总体框图 软件开发环境：使用g n u 的a r m - e l f a s ，a r m e l f g c c ，a r m e l f l d 工具编译链接源文件，生成e l f 目标代码后，到h i t o o l 集成环境下进行调试。 在开发过程中，参考了u c l i n u x2 4 x 这个操作系统的部分代码。 先介绍一下b o o t l o a d e r 的总体结构框架 如下图所示： 图2 4b o o t l o a d e r 的总体结构框架 由上图可以看出，b o o t l o a d e r 软件的开发主要由三部分组成。其中硬件的初 始化部分由汇编语言编写，已经在前面作了描述。驱动层和应用协议层部分主要 由c 语言编写，也嵌入了部分的a r m 汇编。 接下来在第三章中将主要描述串行f i 的驱动及传输协议。第四章中将主要描述网 口的驱动及传输协议。第五章中将主要描述u s b 的驱动和传输协议。第六章将主 要描述f l a s h 部分的编程模型。 第三章串口驱动及传输协议 第一节串行通讯口驱动程序的编写 概述 串行通讯是微计算机之间一种常见的近距离通讯手段，因为使用方便、编程 简单而广泛使用，几乎所有的微控制器、p c 机都提供串行通讯接口。 $ 3 c 4 4 8 0 的u a r t 单元提供两个独立的异步串行通讯口( a s y n c h r o n o u s s e r i a li o ，s i o ) ，每个通讯口均可工作在中断模式或d m a 模式，u a r t 能产 生内部中断请求或d m a 请求，从而在c p u 和串行i o 口之间传送数据。 $ 3 c 4 4 8 0 的u a r t 单元特性包括： 1波特率可编程2支持红外发送与接收 31 至0 2 个停止位45 ，6 ，7 或8 个数据位 5 奇偶校验 每一个异步串行通讯口都具有独立的波特率发生器、发送器、接收器和控制 单元。波特率发生器可由片内系统时钟m c l k 驱动：发送器和接收器都有独立 的1 6 个字节的数据缓冲寄存器和数据移位器。待发送的数据首先传送到发送缓冲 寄存器，然后拷贝到发送移位器并通过发送数据引脚t x d n 发送出去。接收数 据首先从接收数据引脚r x d n 移入移位器，当接收到一个字节时就拷贝到接收 缓冲寄存器。 相关寄存器的介绍 1 u a r t 波特率除数因子寄存器( u b r d i v 0 、l i b r d w l ) u a r t 波特率除数因子寄存器u b r d i v 0 、u b r d w l 的值，决定了发送、接收 的波特率。 计算公式如下：r u b r d i v 0 = ( ( i n t ) ( m c l k 1 6 b a u d + o 5 ) 一1 ) 其中m c l k 是系统时钟，本系统中采用4 0 m 。 b a u d 为波特率，本应用设定为1 1 5 2 0 0 。 2 u a r t 线路控制寄存器( u l c o n 0 ，u l c o n l ) 该寄存器的值，决定了相应串行通信口的特性，如奇偶校验的种类，数据位长度， 停止位长度，是正常传送还是红外传送等。 本应用中，设定为正常传送，无奇偶校验，一个停止位，8 个数据位。 3 u a r t 控制寄存器( u c o n 0 ，u c o n l ) 该寄存器的值，决定了接收发送的模式等等 4 u a r t 缓冲控制寄存器( u f c o n o ，u f c o n l ) 1 4 该寄存器，决定了该串行通信口使用f i f o 的情况 为简单起见，没有使用f i f o 。 5 u a r t 发送缓冲寄存器( u t x h 0 ，u t x h l ) 该寄存器，存放待发送的8 位数据。 6 u a r t 接收缓冲寄存器( u r x h o ，u r x h l ) 该寄存器，存放接收到的8 位串行数据。 7 u a r t 接收和发送的状态寄存器( u t r s 丑玎o ， 该寄存器的值，指明了发送和接收的状态。 本应用中，由于时间限制， u t r s t a t l ) 当往发送缓冲寄存器中写数据时，必须等状态寄存器中的发送缓冲区为空置位。 当状态寄存器表明接收缓冲区有数据，才能接收数据。 第二节串口通讯协议：x _ m o d e m 及其它 为了能从主机上下载文件，必须开发和主机能相互间通信的协议。 就串行通信而言，一般p c 机上都自带超级终端软件，该软件支持以下通信协议： x m o d e m ，y m o d e m ，z m o d e m ，k e r m i t 等等 为简单起见，下面仅就如何在开发板上实现x m o d e m 协议作一个介绍。 x m o d e m 协议的介绍 ) a 0 d e m 是个简单的串行通信协议，首先解释几个术语 s o h = c t r l a ，一个传送数据包的开头 e o t = c t r l d ，代表结束一个传输过程 a c k = c t r l f ，对上一个传送的肯定回复 n a k = c t r l u ，对上一个传送的否定回复 c a n = c t r l x ，命令取消本次传输过程 被传输的文件被分成一个个数据包进行传送，每个数据包中包含的实际数据大小 是1 2 8 个字节。 每个数据包都有一个数据包号，数据包号是从l 开始的，以后往上递增，当数据 包号大于2 5 5 时，就减去2 5 6 ，以便使数据包号一直都在0 到2 5 5 之间。 每个数据包的格式如下： 图2 2x m o d e m 协议中数据包的格式 对数据包号的取补，就是简单的用2 5 5 减去数据包号。 校验码：校验的过程也相对简单，是把实际传送的这1 2 8 个字节相加，得到的值 如果大于2 5 5 的话，就减去2 5 6 ，以便使最后得到的校验码一直都在0 至1 1 2 5 5 之间。 传送的过程是从下载方( 在本应用中，就是e v 4 4 8 0 开发板) 向主机( 即p c 机) 发出一个n a k 信号开始的。 主机在接受至j j n a k 信号后，就发出第一个数据包，如下： 1 s o h ( 一个字节) 2 数据包号( 一个字节) 3 数据包号的补码( 一个字节) 4 实际数据( 1 2 8 个字节) 5 校验码( 一个字节) 以上这五部分构成了一个数据块。 下载方在接受到一块数据后，做以下工作： 1 看收到的数据包号与上次收到的数据包号是否匹配，如上次收到的是3 ，那这 次收到的数据包号应该是4 。如果不是，就取消传送。 2 看数据包号与数据包号的补码是否匹配，即相加结果是否是2 5 5 。如果不是， 就取消传送。 3 把收到的1 2 8 个字节相加，得到一个校验值。 4 如果该校验值与发送过来的校验值一致，则认为接收和发送正确。就把接收 到的数据添加在接受文件后面，同时给发送方发出a c k 信号，要求传送下一 块数据。 5 如果该校验值与发送过来的校验值不一致，则认为接收和发送出错。给发送 方发出n a k 信号，要求重新传送这一块数据。 6 如果下一块数据不是以s o h 开始，而是以e o t 开始，说明发送方已经发送完 相关数据，这时给发送方发出a c k 信号，以结束本次传送过程。 1 6 简单的实现流程图( e v 4 4 8 0 倾0 ) 图2 3x m o d e m 实现流程图 甲 第四章网口驱动及传输协议 第一节网卡芯片及相应驱动的编写 1 网卡芯片介绍及与系统的连接。 开发板上使用的是一个带双绞线( 1 0 b a s e t & 1 0 0 b a s e t ) 接口的以太网端口。 s m s cl a n 9 1 c 1 1 3 用以作为$ 3 c 4 4 8 0 和以太网媒体的中介。 该网卡芯片的主要特点是： i 单片的以太网控制器 i i 1 0 1 0 0m b p s 传输速率 试内置8 k 字节的发送，接收缓冲器 i v 支持8 1 6 位的c p u a c c e s s 。 v 内部1 6 位数据通道。 v i 支持突发数据的传输 v m功耗小，提升了电源管理 网卡是把开发板和局域网连接起来的网络适配器，它涉及到网络物理层和数 据链路层，其基本功能是数据转换，包的装配和拆卸，网络存取控制，数据缓存 和网络信号。 以下是开发板上网卡的连接图： 地址线 t s 6 1 2 1r j 4 5 f r 叫 数据线。 s m s c l a n 9 l c l 3 $ 3 c 4 4 b 0 一n o e _ - 一n g c s _ 一n w b e - - 1 1 - e x i n t i 一n w e _ 图3 1 网卡芯片与系统的连接图 为了让网卡能正常的工作，必须开发相应的网卡驱动程序。 网络驱动程序在b o o t l o a d e r 系统网络部分架构中的位置如下： lt f t p 应用程序 l i lu d p 协议 i li p 协议 i 囤卜一网卡驱动程序 l l网卡硬件 图3 2 网络部分的简单o s i 模型 s m s c l a n 9 l c l l 3 主要寄存器介绍： b a n k 选择寄存器：偏移地址0 x o e 以下是实现b a n k 选择的函数。 v o i ds m cs e l e c t _ b a n k ( i n tx ) w r i t e w ( 0 x e , x ) ； t r a n s m i tc o n t r o l 寄存器：b a n k 0 ，o f f s e t0 发送控制寄存器，如是否允许发送，带不带校验码， r e c e i v ec o n t r o l 寄存器：b a n k 0 ，o f f s e t4 接受控制寄存器，如是否允许接受，接受的帧格式， c o n f i g u r a t i o n 寄存器：b a n k1 ，o f f s e t0 配置寄存器，配置好后在运行时期不可改变。 c o n t r o l 寄存器：b a n k1 ，o f f s e tc 应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层 长度控制等等。 冲突控制等等 控制寄存器。当其中的a u t or e l e a s e 位被置位时，在一个发送页被发送 成功后，会被自动释放。发送成功的包号也不会被写到t x c o m p l e t i o nf i f o 中去。 1 9 m m uc o m m a n d 寄存器：b a n k2 ，o f f s e t0 该寄存器主要控制内存的申请，释放，和发送，接受f i f o 的控制。在初始 化时，要用到其中的r e s e t 命令，复位所有的内存，指针和中断。在发送数据 包时，要用到其中的a l l o c 命令和e n q u e u e 命令，前者是申请内存。后者是 把要发送的数据包放到内存中去。在接收数据包时，要用到其中的r e l e a s e 命 令，释放接收到的数据包所占用的内存。 a l l o cr e s u l t 寄存器：b a n k 2 ，o f f s e t3 发送数据包时，在a l l o c 命令后，从这个寄存器中能读到a l l o c a t e d p a c k e tn u m b e r 。 f i f op o r t s 寄存器：b a n k 2 ，o f f s e t4 接收数据包时，从这个寄存器中读出接收的数据包号。 p o i n t e r 寄存器：b a n k2 ，o f f s e t6 指针寄存器。决定了发送或者接收数据包时候对数据寄存器的操作方式。当 其中的a u t 0 1 n c r 被置位时，对数据寄存器的存取地址会自动改变。当其中的 r e a d 被置位1 时，表明操作将是读取，被置位0 时，表明操作将是写。当其中 的r c v 被置位l 时，表明采用的是接收区域的地址，并且用r xf i f o 寄存器的 输出值作为接收数据包的号。当其中的r c v 被置位0 时，表明采用的是发送区 域的地址，并且用p a c k e tn u m b e r 寄存器的输出值作为发送数据包的号。 d a t a 寄存器：b a n k2 ，o f f s e t 8 一o f f s e tb 数据寄存器。可以用b y t e w o r d 方式读取，地址由指针寄存器给定。 i n t e r r u p ts t a = 兀，s 寄存器：b a n k 2 ，o f f s e t c 、 中断状态寄存器，读该寄存器，了解各种中断发生的情况。 i n t e r r u p tm a s k 寄存器：b 砧哌2 ，o f f s e td 中断屏蔽寄存器，在相应位上置0 ，可以屏蔽掉相关的中断。 2 网卡芯片的初始化流程。 以下给出了初始化网卡的一些必要步骤。 初始化网卡的m a c 地址 首先需要初始化网卡的m a c 地址，方法是向b a n k l 的i n d i v i d u a l a d d r e s s r e g i s t e r 中写入所预先设定的m a c 地址 具体函数如下： v o i de t h _ m a c i n i t ( ) i n t i ； 件 设定s m s e 网卡的m a c 地址是：0 x 0 0 ，o ) ( o b ，0 x 5 1 ，o x 0 0 ，o ) 【o f ，o ) 【f r 十， e t h m a c _ a d d r 0 】2o x 0 0 ； e t h m a c _ a d d r 1 - 0 x o b ； e t h m a c _ a d d r 2 0 x 51 ； e t h m a c _ a d d r 3 = 0 x 0 0 ； e t h m a c _ a d d r 4 】= o x o f i e t h m a c _ a d d r 5 】_ 0 x i f ； s m c s e l e c t _ b a n k ( 1 ) ； f o r ( i - o ；i d a t a - = l e n ； s k b - l e n + = l e n ； i f ( s k b 一 d a t a h e a d ) s k b _ u n d e r _ p a n i c ( s k b ，l e n , c u r r e n tt e x ta d d r 0 ) ； ) r e t u r ns k b - d a t a ： ) 第三节b o o t l o a d e r 中i p 协议栈总体框架设计 i 总体系统架构。 总体系统架构见图3 - 2 。 2 数据流程： 数据传送时采用t f t p 协议传送。 首先在开始t f t p 服务前，需要得到远端t f t p 服务器的m 地址。 然后查询a r p 的地址映射表，看是否有该i p 所对应的物理地址。 如果没有相关的物理地址，必须利用a r p 协议发出请求消息，在得到相应 的回复后才可以开始传送流程。 发送数据时，把需要传送的数据加上t f t p 包头，由于选择的是无连接的 u d p 协议，所以将加好t f t p 包头的数据交给u d p 协议模块处理，u d p 模块将 其首部和数据封装成u d p 数据包，然后将封装好的u d p 数据包交给i p 协议模 块，i p 模块在u d p 数据包上添加i p 首部，并封装成i p 数据包。i p 模块再将i p 数据包交给以太网层模块，以太网层模块在i p 数据包前加上本地网卡的m a c 地址和远端服务器的m a c 地址及协议类型，构成以太网帧，送给网卡驱动程序 进行发送。 接受数据时，网卡中断程序先产生接受中断。调用相应程序接受，写到 s kb u f f 缓冲区中，将接受到的数据帧交给以太网层模块，以太网层模块取出 帧头，判断接受数据的类型，如果是a r p 报文，则将a r p 报文交给a r p 协议 模块处理；如果是i p 数据包，则将i p 数据包交给i p 协议模块处理。i p 协议模 块取出i p 首部信息，判断是否本地接受，如果是则根据数据包的类型，将报文 交给相应的协议模块( t c p 模块，u d p 模块或是i c m p 模块) 处理；在本 b o o t l o a d e r 中，采用的是u d p 数据报，所以u d p 模块接受到数据，判断是 不是t f t p 数据报。如果是，交给t f t p 应用层处理。 第四节基本协议设计框架 1 网络接口层实现模型 功能概述 该层是u d p b p 协议栈与下层物理设备驱动程序之间的接口。 发送普通数据时，本层的网络接口层发送函数e t hs e n d o 负责接收上层协 议产生的数据，以待发i p 数据包的目的i p 地址为索引查找a r p 地址映射表， 如果查找到对应的目的地物理地址，则将它封装成以太网帧。调用驱动程序进行 发送。如果没有相应的目的地物理地址，则调用a r p 协议实现中的a r p _ r e q 函数发出a r p 请求。 接受数据时，本层的网络接口层接受函数e t h _ r e c v 0 被底层的网卡驱动程 序调用。e t hr e c v o i 函数首先判断接受到的数据类型，如果是i p 数据包，则 调用上层i p 协议中的i p；如果是 数据包，则调用上层a i 心协议_ r e c v o a r p 中的a r p _ r e c v o 。 初始化函数e t hi n i t 0 负责实现网络接口层相关数据结构的初始化。 函数关系图 下图显示了网络接口层函数与其它协议之间的关系，其中虚线框内为网络接口层 实现。 i p 报文 调用 l pr e c v a r p 报文 调用i p 报文a r p 报文 网卡驱动的接受函数网卡驱动的发送函数 图3 7网络接口层的函数关系 2 a r p 层协议实现模型 功能概述 a r p 如议实现埘a r p 报文的解释，处理，同时管理a r p 映射表。 a r p 报文分为a r p 请求报文和a r p 应答报文。当进行以太网帧的封装时， 如果不知道目的地的m a c 地址，则调用a r pr e q 0 发出a r p 请求报文。a r p 报文处理函数a r pr e c v 0 负责对接收到的a r p 报文进行处理。如果收到a r p 请求报文，而且