基于ARM核的Bootloader代碼的分析與設(shè)計(jì)

一 . 引言：

對(duì)于 PC 機(jī)，其開(kāi)機(jī)后的初始化處理器配置、硬件初始化等操作是由 BIOS ( Basic Input /Output System )完成的，但對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，出于經(jīng)濟(jì)性、價(jià)格方面的考慮一般不配置 BIOS ，因此我們必須自行編寫完成這些工作的程序，這就是所需要的開(kāi)機(jī)程序。而在嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒(méi)有像 BIOS 那樣的固件程序，啟動(dòng)時(shí)用于完成初始化操作的這段代碼被稱為 Bootloader 程序，因此整個(gè)系統(tǒng)的加載啟動(dòng)任務(wù)就完全由 Bootloader 來(lái)完成。簡(jiǎn)單地說(shuō)，通過(guò)這段程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖(有的 CPU 沒(méi)有內(nèi)存映射功能如 S3C44B0 )，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境設(shè)定在一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核、運(yùn)行用戶應(yīng)用程序準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。 Bootloader 依賴于實(shí)際的硬件和應(yīng)用環(huán)境，因此要為嵌入式系統(tǒng)建立一個(gè)通用、標(biāo)準(zhǔn)的 Bootloader 是非常困難的。 Bootloader 也依賴于具體的嵌入式板級(jí)設(shè)備的配置，這也就是說(shuō)，對(duì)于兩塊不同的嵌入式主板而言，即使它們是基于同一 CPU 而構(gòu)建，要想讓運(yùn)行在一塊板子上的 Bootloader 程序也能運(yùn)行在另一塊板子上，通常都需要修改 Bootloader 的源程序。

二 . 啟動(dòng)流程

系統(tǒng)加電復(fù)位后，幾乎所有的 CPU 都從由復(fù)位地址上取指令。比如，基于 ARM7TDMI內(nèi)核的CPU 在復(fù)位時(shí)通常都從地址 0x00000000 處取它的第一條指令。而以微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)通常都有某種類型的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備(比如 EEPROM 、 FLASH 等)被映射到這個(gè)預(yù)先設(shè)置好的地址上。因此在系統(tǒng)加電復(fù)位后，處理器將首先執(zhí)行存放在復(fù)位地址處的程序。通過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境可以將 Bootloader 定位在復(fù)位地址開(kāi)始的存儲(chǔ)空間內(nèi)，因此 Bootloader 是系統(tǒng)加電后、操作系統(tǒng)內(nèi)核或用戶應(yīng)用程序運(yùn)行之前，首先必須運(yùn)行的一段程序代碼。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有的使用操作系統(tǒng)，也有的不使用操作系統(tǒng)，比如功能簡(jiǎn)單僅包括應(yīng)用程序的系統(tǒng)，但在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)都必須執(zhí)行Bootloader ，為系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)備好軟硬件運(yùn)行環(huán)境。

系統(tǒng)的啟動(dòng)通常有兩種方式，一種是可以直接從Flash啟動(dòng)，另一種是可以將壓縮的內(nèi)存映像文件從 Flash (為節(jié)省Flash 資源、提高速度)中復(fù)制、解壓到RAM ，再?gòu)腞AM 啟動(dòng)。當(dāng)電源打開(kāi)時(shí)，一般的系統(tǒng)會(huì)去執(zhí)行ROM(應(yīng)用較多的是Flash)里面的啟動(dòng)代碼。這些代碼是用匯編語(yǔ)言編寫的，其主要作用在于初始化CPU 和板上的必備硬件如內(nèi)存、中斷控制器等。有時(shí)候用戶還必須根據(jù)自己板子的硬件資源情況做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與修改。

系統(tǒng)啟動(dòng)代碼完成基本軟硬件環(huán)境初始化后，對(duì)于有操作系統(tǒng)的情況下，啟動(dòng)操作系統(tǒng)、啟動(dòng)內(nèi)存管理、任務(wù)調(diào)度、加載驅(qū)動(dòng)程序等，最后執(zhí)行應(yīng)用程序或等待用戶命令;對(duì)于沒(méi)有操作系統(tǒng)的系統(tǒng)直接執(zhí)行應(yīng)用程序或等待用戶命令。

啟動(dòng)代碼是用來(lái)初始化電路以及用來(lái)為高級(jí)語(yǔ)言寫的軟件做好運(yùn)行前準(zhǔn)備的一小段匯編語(yǔ)言，在商業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，啟動(dòng)代碼部分一般被稱為板級(jí)支持包，英文縮寫為 BSP 。它的主要功能就是：電路初始化和為高級(jí)語(yǔ)言編寫的軟件運(yùn)行做準(zhǔn)備。系統(tǒng)啟動(dòng)流程如圖 1 所示，主要的過(guò)程如下：

1. 啟動(dòng)代碼的第一步是設(shè)置中斷和異常向量。

2. 完成系統(tǒng)啟動(dòng)所必須的最小配置，某些處理器芯片包含一個(gè)或幾個(gè)全局寄存器，這些寄存器必須在系統(tǒng)啟動(dòng)的最初進(jìn)行配置。

3. 設(shè)置看門狗，用戶設(shè)計(jì)的部分外圍電路如果必須在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)初始化，就可以放在這一步。

4. 配置系統(tǒng)所使用的存儲(chǔ)器，包括 Flash ， SRAM 和 DRAM 等，并為他們分配地址空間。如果系統(tǒng)使用了 DRAM 或其它外設(shè)，就需要設(shè)置相關(guān)的寄存器，以確定其刷新頻率，數(shù)據(jù)總線寬度等信息，初始化存儲(chǔ)器系統(tǒng)。有些芯片可通過(guò)寄存器編程初始化存儲(chǔ)器系統(tǒng)，而對(duì)于較復(fù)雜系統(tǒng)通常集成有 MMU 來(lái)管理內(nèi)存空間。

5. 為處理器的每個(gè)工作模式設(shè)置棧指針， ARM 處理器有多種工作模式，每種工作模式都需要設(shè)置單獨(dú)的棧空間。

6. 變量初始化，這里的變量指的是在軟件中定義的已經(jīng)賦好初值的全局變量，啟動(dòng)過(guò)程中需要將這部分變量從只讀區(qū)域，也就是 Flash 拷貝到讀寫區(qū)域中，因?yàn)檫@部分變量的值在軟件運(yùn)行時(shí)有可能重新賦值。還有一種變量不需要處理，就是已經(jīng)賦好初值的靜態(tài)全局變量，這部分變量在軟件運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)改變，因此可以直接固化在只讀的 Flash 或 EEPROM 中。

7. 數(shù)據(jù)區(qū)準(zhǔn)備，對(duì)于軟件中所有未賦初值的全局變量，啟動(dòng)過(guò)程中需要將這部分變量所在區(qū)域全部清零。

8. 最后一步是調(diào)用高級(jí)語(yǔ)言入口函數(shù)，比如 main 函數(shù)等。

三 . 程序分析

下面根據(jù)實(shí)際經(jīng)過(guò)測(cè)試的代碼詳細(xì)講述系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程。

.text /* 將此操作符開(kāi)始的代碼編譯到代碼段或代碼段子段中 */

/* 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境( IDE )可以通過(guò)鏈接腳本文件將下面的語(yǔ)句定位在零起始地址，系統(tǒng)上電后 CPU 從此處開(kāi)始執(zhí)行 */

ENTRY:

b ResetHandler /* 跳至 ResetHandler ，此句被定位在零起始地址 */

/* 除用戶模式外的其他 6 種模式稱為特權(quán)模式。特權(quán)操作模式主要處理異常和監(jiān)控調(diào)用(有時(shí)稱為軟件中斷)，它們可以自由的訪問(wèn)系統(tǒng)資源和改變模式。特權(quán)模式中除系統(tǒng)模式以外的 5 種模式又稱為異常模式，下面的代碼用于出現(xiàn)異常時(shí) CPU 就會(huì)根據(jù)以下的語(yǔ)句自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的異常處理程序處 */

b HandlerUndef /* handlerUndef */

b HandlerSWI /* SWI interrupt handler */

b HandlerPabort /* handlerPAbort */

b HandlerDabort /* handlerDAbort */

b . /* handlerReserved */

b HandlerIRQ

b HandlerFIQ

...

...

ResetHandler: /* 上電后跳轉(zhuǎn)到此處開(kāi)始執(zhí)行 */

Ldr r0,=WTCON /* 禁止看門狗 */

ldr r1,=0x0

str r1,[r0]

ldr r0,=INTMSK /* 屏蔽所有中斷請(qǐng)求 */

ldr r1,=0x07ffffff

str r1,[r0]

/* 設(shè)置時(shí)鐘控制寄存器 */

ldr r0,=LOCKTIME