PXA272啟動引導(dǎo)程序的實現(xiàn)和功能擴展

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是一個層次性結(jié)構(gòu)，從底層到應(yīng)用分別是：硬件、啟動引導(dǎo)程序、嵌入式操作系統(tǒng)(Linux)、文件系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)上電或硬件復(fù)位后，CPU執(zhí)行的第一段代碼就是啟動引導(dǎo)程序，啟動引導(dǎo)程序在嵌入式Linux系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)的過程中起著重要的作用。

1、Bootloader的工作原理與功能

1.1 工作原理

Bootloader是系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的代碼，BootLoader完成內(nèi)核加載啟動。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程，常涉及底層BOOT LOADER移植，操作系統(tǒng)引導(dǎo)、應(yīng)用程序運行都與Bootloader有關(guān)，所以說Bootloader移植是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)。不同CPU體系結(jié)構(gòu)對應(yīng)不同Bootloader,另外Bootloader的實現(xiàn)也依賴于具體板級硬件。

嵌入式開發(fā)首先根據(jù)目標板特性開發(fā)Bootloader，依次完成下面任務(wù):初始化底層硬件(CPU、存儲器)；設(shè)置堆棧、Cache；代碼重定向；加載內(nèi)核、文件系統(tǒng)映像；設(shè)置內(nèi)核啟動參數(shù)；啟動內(nèi)核，控制權(quán)轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)。

1.2 Bootloader主要功能
設(shè)計一個Bootloader，須具備以下基本功能：
l 正確初始化硬件，使系統(tǒng)平臺正常啟動。
l 提供映像文件加載接口，通過串口、網(wǎng)口下載映像到Flash，為內(nèi)核啟動作準備。
l 加載Linux內(nèi)核到RAM中，啟動內(nèi)核和文件系統(tǒng)，并進一步啟動應(yīng)用程序。

而完備的Bootloader，還可以擴展測試功能：
l 開發(fā)板設(shè)計開發(fā)調(diào)試過程，Bootloader通過交互界面與系統(tǒng)平臺交互，測試平臺器件。
l 開發(fā)階段，可以用于調(diào)試內(nèi)核。系統(tǒng)內(nèi)核能正常啟動是Bootloader的最終目標。
l 提供串口交互的命令控制臺。支持配置功能:設(shè)置IP，MAC，系統(tǒng)時間等。

Bootloader有兩種操作模式:啟動加載模式和下載模式；啟動加載模式是開發(fā)板發(fā)布后提供的穩(wěn)定工作模式；下載模式一般是在開發(fā)階段的工作模式，提供串口交互界面。

2、PXA272硬件平臺

Pxa272是最新推出的32位XScale RISC核心微處理器，兼容ARMv5TE指令；工作頻率可達520MHz；采用7級超流水線結(jié)構(gòu)；支持Intel Wireless MMXTM指令集增強多媒體處理功能；動態(tài)電源管理實現(xiàn)低功耗；提供32KB D/I Cache；集成64M Flash和265K SRAM；

硬件平臺是基于Pxa272微處理器的自研發(fā)的開發(fā)板Uranium V0.90。硬件結(jié)構(gòu)中的主要器件：AC97、SDRAM、TFT LCD、觸摸屏、網(wǎng)絡(luò)LAN、PCMCIA插槽等外設(shè)。

3、Bootloader映像文件結(jié)構(gòu)設(shè)計

Bootloader結(jié)構(gòu)由鏈接腳本決定，鏈接腳本用于控制目標文件格式。決定如何將各目標文件合并起來并安排數(shù)據(jù)和符號的位置。通常在編譯的最后一步完成。腳本主要目的描述如何將輸入文件的各段映射到輸出文件中，控制目標文件的布局。腳本文件Uranium.lds的結(jié)構(gòu)：
OUTPUT_ARCH(arm)//指定ARM目標板體系結(jié)構(gòu)
ENTRY(_start) //_start為程序入口
SECTIONS { . = 0x00000000;
__boot_start = .; //匯編中指定的boot起址
.start ALIGN(4) : { *(.text.start)} //文件text段
.text ALIGN(4) : { *(.text) }
.rodata ALIGN(4) : {*(.rodata)} //只讀data段
.data ALIGN(4) : {*(.data) } //可讀寫data段
.got ALIGN(4) : {*(.got) } //全局偏移量表
__boot_end = .; //bootloader終址
.bss ALIGN(16) :{*(.bss) } //未初始化data段
……}

ARM體系結(jié)構(gòu)微處理器在復(fù)位后PC指向0x00000000，PXA272片載Flash連接在nCS0上，將Flash映射到0x00000000作為啟動存儲器。

4、Bootloader的實現(xiàn)與擴展

啟動引導(dǎo)程序分成硬件初始化(Boot)和內(nèi)核加載兩個部分(Loader)；Boot部分與處理器體系結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，通常用匯編語言實現(xiàn)；Loader部分在完成硬件初始化后，將加載映像文件并啟動內(nèi)核，這部分一般用C語言實現(xiàn)。

4.1硬件初始化(Boot)

可執(zhí)行Boot映像必須且只有一個全局入口。在匯編文件Start.S中指定入口：
_start : b start
Bootloader由多個文件組成。首先是匯編語言實現(xiàn)的Start.S，完成底層硬件初始化：
start: bl define_gpio //設(shè)置gpio
bl enable_cpu //設(shè)置CPU時鐘
bl setup_memory //初始化靜動態(tài)存儲器
bl relocate_boot //復(fù)制boot代碼
bl setup_stack //建立堆棧
bl clear_bss //清除bss段
ldr pc, =main //跳轉(zhuǎn)到C代碼

切換CPU工作模式、屏蔽中斷。啟動引導(dǎo)程序不需要處理中斷，所以要屏蔽所有中斷。

設(shè)置CPU：PXA272提供動態(tài)時鐘和電源管理，可以根據(jù)應(yīng)用負荷，選擇CPU的工作模式；PXA272電源管理提供四種工作模式：Turbo模式、運行模式、空閑模式、睡眠模式。

建立堆棧和清除數(shù)據(jù)區(qū):堆棧、DATA、BSS段初始化是運行C代碼前必要條件。C語言函數(shù)編譯必須提供堆棧存放臨時變量、調(diào)用位置、寄存器信息。除堆棧外，需DATA段和BSS段存放C代碼中有初始值的全局或靜態(tài)變量以及沒有指定初始值的全局變量。