ARM嵌入式系统中Bootloader分析与设计方案

1、作者：PanHongliang封面仅供个人学习ARM7嵌入式系统中Bootloader分析与设计摘要：本文介绍了嵌入式系统Bootloader的基本概念及作用，阐述了在 ARM7嵌入式系统中实现Boot loader的基本流程，重点分析了 Boot loader 中关于外部中断(IRQ)处理的详细过程。改善了 Bootloader中命令控制台 操作使用不方便的缺陷，增加了对方向键控制能力的支持。关键词：嵌入式系统；引导程序；uClinux； S3C4510B1引言作为一种16/32位的高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC (Reduced Instruction Set Computer)微

2、处理器，ARM (Advanced RISC Machines ) 微处理器U前已经成为应用最为广泛的嵌入式微处理器1。在嵌入式系统 开发中Bootloader常常是嵌入式系统开发中可能遇到的第一个技术难点。 应用程序运行环境能否正确构建，内核能否启动成功，都取决于Bootloader 能否正确的工作。一个功能完善的嵌入式系统Bootloader还要求能够提供 系统更新的能力，以及为了实现这一操作所需要的一个简单的命令控制台。 本文在基于ARM7-uClinux嵌入式系统的硬件平台和软件平台基础上，描述 了系统引导程序Bootloader的设计原理，阐述了设计时应考虑的因素和需 解决的技术难点

3、并给出了一套可行的引导程序流程。2. 系统组成典型的ARM嵌入式系统硬件平台一般包括一个以ARM为内核的处理器、存储 器和必要的外部接口与设备。在本系统中采用内嵌ARM7TDMI的Samsung公 司S3C4510B处理器，存储器使用2MB的Flash和16MB的SDRAM,外部接口 除了可用于下载和通信的串口，还配备了一个以太网接口以支持S3C4510B 的网络功能。软件平台曲系统引导程序、嵌入式操作系统内核和文件系统组成，系统引导 程序通常即指我们这里的Bootloader,其代码量虽少但是作用非常大，相 当于普通PC机中的BIOSo通过Bootloader,我们可以初始化硬件设备、建 立

4、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。3. Boot loader设计分析3. 1 Bootloader 的操作模式(Operation Mode)大多数Boot loader都包含两种不同的操作模式2：(1) .启动加载(Boot loading)模式：也称为自主模式。即Boot loader 从LI标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中运行，整个过程并没有用户的介入。(2) .下载(Downloading)模式：在这种模式下，目标机上的Bootloader 将通过串口或网络连接等通信手段从主机(Host)下载内

5、核映像和根文件系 统映像等，然后保存到L1标机上的FLASH类固态存储设备中。Bootloader 的这种模式通常在系统初次安装和更新时被使用，工作于这种模式下的 Boot loader通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。在我们的Bootloader设讣中我们同时支持这两种工作模式，采用的方法是: 一开始启动时处于正常的启动加载模式，但并不立即启动进入uClinux内 核，而是提示延时5秒，等待终端用户如果按下某一特定按键，则切换到下 载模式，否则继续启动uCLinux内核。3.2 Boot loader的启动及初始化基于ARM的芯片多数为复杂的片上系统(SoC),这类复杂系统里的

6、多数硬 件模块都是可配置的3。因此大多数Boot loader都分为stagel和 stage2两大部分。依赖于CPU体系结构的代码，通常都放在stagel中， 而且在这一部分，我们直接对处理器内核和硬件控制器进行编程，因此常常 都用汇编语言来实现。而stage2则通常用C语言来实现，这样可以实现更 复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。3. 2. 1 Bootlodder 的 stagel这部分代码必须首先完成一些基本的硬件初始化，为stage2的执行以及随 后的kernel的执行准备好一些基本的*更件环境2。Bootloader的stagel 一般通用的内容包括：*定义程序入口

7、点*设置异常向量表*初始化存储系统(包括地址重映射)*初始化有特殊要求的端口，设备*初始化用户程序的执行环境*初始化堆栈指针寄存器，必要时改变处理器的模式*设置FIQ/IRQ中断处理程序入口*进入C程序在整个Bootloader的初始化过程中我们都不必响应中断，因此首先禁止系 统的中断，然后程序设置CPU的速度和时钟频率，设置CPU内部指令/数据 cache, DRAM初始化，DRAM初始化完成后即可拷贝ROM中的代码到DRAM中， 然后内存重映射，程序开始进入DRAM中执行，然后再初始化一些用户有特 殊要求的端口、设备，比如LED或串口等，可以通过点亮LED,或者向串口 打印一些调试信息，以

8、此表明系统的状态是0K还是Erroro然后准备进入C 语言代码：拷贝Bootloader的RW/R0段到相应的运行位置，初始化ZI段, 初始化系统堆栈，设置FIQ/IRQ中断处理程序入口，设置完成就可以进入到 C代码了。3. 2. 2 Boot loader 的 stage2为了让程序跳入C语言的“main”函数，我们釆用直接将pc指针指向 “main”函数的方法，实现代码如下:THUMBCODE。二IF ,如果是汇编Thumb代码，则釆用bx指令跳转bx lrIo | = ELSEmov pc, lro汇编ARM代码，则直接跳转到main函数。二 ENDIF进入main函数后即可以开始本阶段

9、stage2的初始化任务，这包括：（1）初始化至少一个串口，以便和终端用户进行交互；（2）初始化讣时器，延时并提示启动模式的选择，如果进入启动加载模式, 则系统控制权交ill uClinux操作系统，Bootloader功成身退,否则程序继 续向下执行。（3）初始化网络，包括网络基本信息配置等；（5）如果系统配有LCD等外设，可以在此初始化；（6）初始化Flash：检测是否支持该Flash芯片（可通过比较Flash ID的 方式实现）；（7）初始化中断，包括屏蔽中断，清除中断悬挂标志，初始化中断向量表, 注册需要的中断处理函数等。（8）初始化命令控制台，等待用户键入命令。在初始化这些设备之前，

10、也可以改变LED灯的状态，以表明我们已经进入 main函数执行。设备初始化完成后，可以通过串口输出一些打印信息，如 程序名字字符串、版本号等。本系统中釆用的系统启动引导方案流程图如图 1所示。4. 难点分析4. 1异常及中断处理在ARM支持的7种模式中，共有5种异常模式，而其中乂尤以外部中断模式 （IRQ）应用较为广泛，其异常处理过程也较为复杂。本文下面将以IRQ异 常处理为例，讲述一个通用的中断使用及处理过程。一个ARM通用的中断处 理过程大致可以分为以下3步：（1）异常响应：获取异常处理程序入口地址，并进入异常处理程序；（2）现场保护及恢复：即进入中断服务程序（ISR）前后中断现场的保护

11、和恢复；（3）中断服务：计算中断源索引号，清中断，然后进入中断服务。本例中IRQ异常处理相关代码如下：ResetEntrybSYS_RST_HANDLER。复位异常bIRQ_SVC_HANDLER。外部中断请求MACRO o通过一个宏定义，统一处理各异常处理程序与异常向量地址的映 射关系$HandlerLabel HANDLER $ExceptHandler$HandlerLabelsub sp, sp, #4o 预留一个字的空间用来保存PC的跳转地址stmfdsp!, rO。保存下面中断处理中使用到的rO寄存器ldr 入rOldrrO, rO处理函数入口读入rOstrrO, sp, #4数入

12、口存入堆栈中刚才预留的空间ldmfd sp!, rO, pc） 常处理函数MENDIRQ_SVC_HANDLER HANDLER。将异常O将异常处理函O恢复现场，同时跳入异IrqSvcVector 。调用宏定义SYS_RST_HANDLERo复位异常时程序跳转地址o系统初始化代码rO, =$ExceptHandler 将保存有异常处理函数入口的地址读ldr rO, =IrqSvcVectorldr rl,二IRQ_SERVICEstr rl, rOIrqSvcVectoro将IRQ异常处理程序入口存入变量IRQ_SERVICESTMFD sp!, r0-rl2, lrBL ISR.IrqHan

13、dlero跳入C语言中定义的中断服务程序（ISR）异常返回同时复制相应SPSR到CPSR,/C语言中定义的中断服务程序LDMFD sp!, r0-rl2, lr)SUBS pc, lr, #4 实现处理器模式自动切换void ISR_IrqHandler(void)unsigned int IntOffSetoIntOffSet = (unsigned int) ini (INTOFFSET) /取出中断源索引号Clear_PendingBit 仃ntOffSet2)。/清中断(*InterruptHandlersInt0ffSet2) () o/ 进入对应的中断服务子函数从上面的代码我们可以

14、总结得出，接收到IRQ中断请求后程序的执行流程 是：(1) 执行完当前指令，程序自动跳到0x18地址；(2) 从 0x18 程序跳转到 IRQ_SVC_HANDLER：(3) 从IRQ_SVC_HANDLER再到SDRAH高端异常矢量表；(4) 从SDRAM拓端异常矢量表跳转到IRQ_SERVICE异常处理程序；(5) III IRQ.SERVICE最后进入中断服务程序,完成中断处理任务后返回。4.2命令控制台当Bootloader工作在下载模式时，通常会通过串口向终端用户提供一个简 单的命令控制台，为了使用的方便，我们这里对其功能进行了扩充，添加了 命令键入时对键盘“上、下、左、右、Home

15、. End儿个方向键的支持。通过吊口收发或显示字符时，我们使用的通常是字符的ASCII码。对于非控 制字符，也即键入命令时我们可能使用到的命令字符，在控制台中我们使用 了 ASCII码值从0x200x7e之间的字符。对于控制字符，在常用字符ASCII 码对照表中我们可以找到Enter键、Backspace(退格)键以及ESC键的ASCII 码，但是却没有上下左右方向键以及Home. End键对应的ASCII码，通过对 键盘输入字符的吊口收发测试发现，如果在测试时按下了方向键则吊口在每 次按键后会连续发送出3字节数据，前两字节所有方向键的数据相同，分别 是Oxlb, 0x5b,第3字节对应不同的

16、按键，上下右左方向键分别对应的值 为:0x41、0x42、0x43、0x44, Home 和 End 键对应的值为 0x48 和 0x4b 故 要检测键盘是否键入了方向键，需要向串口连续读取三字节的数据，同理, 要控制光标向左、向右移动或Home、End也需要连续一次向串口发送3字节 数据。命令控制台从串口接收到字符后，程序处理的流程图如图2所示。5 结束语Bootloader与具体的硬件环境和操作系统是紧密联系在一起，针对某个CPU 芯片编写Bootloader代码，首先要了解该CPU的内核结构、指令系统，其 次是具体芯片的结构和各种片上资源，以及所采用的操作系统。本文给出的Bootload

17、er代码已经在基于Samsung公司的S3C4510B芯片开发的系统板上 运行并测试通过。该Bootloader能够正常引导及更新uClinux内核，系统 运行稳定，完全实现了设计目的，达到了嵌入式系统的设计要求。参考文献：1 .李驹光等.ARM应用系统开发详解一一基于S3C4510B的系统设计.清 华大学出版社.2003 .2 .詹荣开.嵌入式系统Bootloader技术内幕.http：/linux. chinaunix. net/doc/embedded/2005-01T3/762. shtml3 .蔡治等.基于ARM核的嵌入式应用系统中的启动代码的编程.电子科 技,N06, 2005版权

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