湯雅妃

（電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610054）

1 引 言

在一些脫機(jī)運(yùn)行的系統(tǒng)中，系統(tǒng)上電后必須先初始化某些硬件，然后從非易失性存儲(chǔ)器中將程序移植到系統(tǒng)內(nèi)部高速存儲(chǔ)器中執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)這部分功能的程序塊叫BootLoader。它的作用是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)任務(wù)裝載，包括初始化硬件設(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)，以便最終系統(tǒng)正常運(yùn)行[1]。大多數(shù) BootLoader都包含兩種不同的操作模式（Operation Mode），啟動(dòng)裝載模式和下載模式[2]。兩者的區(qū)別在于前者是BootLoader從目標(biāo)機(jī)上的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上將程序裝載到CPU內(nèi)部RAM中運(yùn)行，它屬于正常的工作模式，一般應(yīng)用于產(chǎn)品的發(fā)布，而后者是目標(biāo)機(jī)上的BootLoader從主機(jī)下載文件并寫入固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備，應(yīng)用于產(chǎn)品的升級(jí)[3]。

一般的嵌入式操作系統(tǒng)都有自帶的啟動(dòng)裝載模塊如基于Linux的U-Boot，而在沒有操作系統(tǒng)的系統(tǒng)中就需要自己編寫B(tài)ootLoader程序。該設(shè)計(jì)用于無操作系統(tǒng)數(shù)字存儲(chǔ)示波器的啟動(dòng)裝載。BootLoader程序通過檢測(cè)系統(tǒng)特定標(biāo)志位來實(shí)現(xiàn)不同的裝載模式。正常模式下BootLoader初始化硬件，裝載Flash中的程序到SDRAM中并啟動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)用戶選擇在線升級(jí)時(shí)系統(tǒng)將更改特定標(biāo)志位的值，重啟系統(tǒng)后BootLoader即進(jìn)入下載模式，通過USB讀入正確的更新文件并寫入Flash，同時(shí)BootLoader更改程序指針，重啟系統(tǒng)后將從新地址啟動(dòng)裝載程序。該文提出了一種存儲(chǔ)BootLoader文件的新思路，減少了Flash的燒寫時(shí)間并節(jié)約了Flash的空間。

2 BF531 BootLoader原理

如圖1所示，系統(tǒng)程序在編譯之后會(huì)生成一個(gè)以.dxe為后綴的可執(zhí)行文件，然后由Elfloader.exe將Dxe文件擦除，按照Ldf規(guī)則生成以.ldr為后綴的可裝載文件。Ldr文件一般包括一個(gè)Init Block和N個(gè)其他的Block。需要Init Block的主要原因是為了初始化硬件。每個(gè)Block前面都有一個(gè)大小為10個(gè)字節(jié)的Header，包括32位的地址Address，32位的文件長度信息Count，還有16位的標(biāo)志信息Flag，啟動(dòng)裝載的第一階段需要用到這些信息。其中Address指定要裝載程序的目的地址，Count指定拷貝的文件長度（以字節(jié)為單位），F(xiàn)lag指定BootLoader的運(yùn)行方式。LDR文件存儲(chǔ)格式見圖1。

圖1 LDR文件存儲(chǔ)格式

BootLoader一般固化在系統(tǒng)CPU內(nèi)部非易失存儲(chǔ)器中，在此設(shè)計(jì)中它存放在BF531片內(nèi)ROM中，起始地址為0XEF000000。上電后BootLoader首先接管系統(tǒng)，進(jìn)行一些最基本的上電自檢后，BootLoader將對(duì)系統(tǒng)的硬件如UART、GPIO、SDRAM進(jìn)行初始化；如果系統(tǒng)的程序不是存放在目標(biāo)機(jī)的ROM或者Flash中的，而是存放在磁盤、U盤、SD卡、CF卡中的，BootLoader還必須初始化好這些硬件設(shè)備。接下來，BootLoader需要將系統(tǒng)的程序拷貝到主存儲(chǔ)器的特定地址，最后BootLoader將控制權(quán)交給系統(tǒng)，由系統(tǒng)完成接下來的工作。

BF531 BootLoader步驟如下：第一階段，系統(tǒng)上電后片上引導(dǎo)存儲(chǔ)器從復(fù)位中斷復(fù)位程序返回并設(shè)置為管理員模式（Supervisor Mode）（在Bypass Mode下屏蔽此步驟），然后系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)復(fù)位配置寄存器（SYSCR）第四位的值判斷是否為軟件復(fù)位，如果是軟件復(fù)位，系統(tǒng)會(huì)屏蔽掉所有啟動(dòng)裝載操作，程序指針跳轉(zhuǎn)到0XFFA08000（L1存儲(chǔ)器的起始地址）執(zhí)行，否則程序會(huì)繼續(xù)BootLoader的流程，根據(jù)BMODE狀態(tài)選擇用戶設(shè)置的一種BootLoader方式，從外部存儲(chǔ)器0x.0地址段讀取前4個(gè)字節(jié)（這4個(gè)字節(jié)包含有需要導(dǎo)入程序的字節(jié)長度信息N），然后導(dǎo)入這N字節(jié)程序到以0xF000 0000開始的L2存儲(chǔ)器，最后跳轉(zhuǎn)到L2存儲(chǔ)器開始執(zhí)行。如果程序分多段存放在L1存儲(chǔ)器或L2存儲(chǔ)器或者SDRAM中就必須有第二階段裝載，首先復(fù)位后片上引導(dǎo)ROM會(huì)下載N字節(jié)（第五階段裝載程序）程序到以0x F000 0000起始的外部L2存儲(chǔ)器中，然后第二階段裝載程序自我復(fù)制到L2存儲(chǔ)器的底部，第二階段的裝載程序引導(dǎo)應(yīng)用程序或數(shù)據(jù)到BF531的其他存儲(chǔ)器，最后，引導(dǎo)后第二階段裝載程序跳轉(zhuǎn)到L2存儲(chǔ)器的起始處開始執(zhí)行應(yīng)用程序。

3 數(shù)字存儲(chǔ)示波器啟動(dòng)裝載及在線升級(jí)的實(shí)現(xiàn)原理

設(shè)計(jì)采用兩個(gè)不同的工程來實(shí)現(xiàn)數(shù)字存儲(chǔ)示波器系統(tǒng)的BootLoader及基本測(cè)量功能。工程1為BootLoader程序，用來完成程序裝載及更新，存放在起始地址為0X20000000的存儲(chǔ)區(qū)；工程2為示波器程序，用來實(shí)現(xiàn)示波器系統(tǒng)功能，存放在起始地址為0X20010000的存儲(chǔ)區(qū)。ROM里面的BootLoader程序是利用MDMA順序地讀取Flash中的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)Header文件，將數(shù)據(jù)搬移到指定的存取區(qū)域。由于兩個(gè)工程存放在不同的存儲(chǔ)區(qū)，因此在讀完和調(diào)用了Init Block后，BootLoader需要跳轉(zhuǎn)到工程1或2的存儲(chǔ)地址去讀取余下的Block[4]。

系統(tǒng)上電后BootLoader會(huì)檢測(cè)特定標(biāo)志位以選擇不同的裝載模式，這個(gè)標(biāo)志位根據(jù)用戶的操作設(shè)置不同的值。正常模式下BootLoader讀取BMODE選擇用戶設(shè)置的BootLoader方式（該系統(tǒng)中BMODE設(shè)置為從16位Flash裝載程序運(yùn)行），然后直接初始化，GPIO，SDRAM，把Flash中的程序移植到SDRAM中指定地址段，程序指針跳轉(zhuǎn)到此地址開始執(zhí)行。當(dāng)用戶選擇在線升級(jí)時(shí)，特定標(biāo)志位的值會(huì)改變，用戶插入U(xiǎn)盤后重啟系統(tǒng)，BootLoader檢測(cè)到該標(biāo)志位不是默認(rèn)值后就會(huì)轉(zhuǎn)入在線升級(jí)模式，對(duì)U盤里的文件進(jìn)行一系列檢測(cè)判斷[5]，將合適的更新文件寫入Flash中同時(shí)更改BootLoader裝載模式標(biāo)志位，重新之后又回復(fù)到正常裝載模式。其程序流程見圖2。

圖2 數(shù)字存儲(chǔ)示波器BootLoader程序流程圖

Init Block程序前面省略了PLL、SDRAM的初始化程序，最后的一段代碼則是對(duì)Init Block程序的修改，讓它符合實(shí)現(xiàn)程序更新的要求。經(jīng)過詳細(xì)分析ROM里面BootLoader的匯編代碼，發(fā)現(xiàn)MDMA讀取數(shù)據(jù)的源地址是由R0寄存器來控制的，所以需要在Init Bloack中改變R0的值，調(diào)用完成返回后，R0便會(huì)修改MDMA的源地址，使它指向正確的地址。需要指出的是，在Init匯編代碼的開始和結(jié)尾需要保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，否則無法在調(diào)用后正確修改R0的值。

4 結(jié)束語

BootLoader是嵌入式系統(tǒng)程序的重要組成部分，用以實(shí)現(xiàn)硬件初始化并引導(dǎo)系統(tǒng)程序。該文分析了嵌入式系統(tǒng)BootLoader兩種模式的區(qū)別和實(shí)現(xiàn)原理，介紹了ADI公司BF531的BootLoader流程，在此基礎(chǔ)上提出了基于BF531的無操作系統(tǒng)數(shù)字存儲(chǔ)示波器的BootLoader設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)將系統(tǒng)程序分為兩部分，初始化部分放在BootLoader中，這樣更新時(shí)只需要更新數(shù)字示波器的程序，縮短了更新時(shí)間，節(jié)省了Flash空間。經(jīng)測(cè)試，此設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)數(shù)字示波器系統(tǒng)的正常啟動(dòng)裝載模式和在線升級(jí)，且用戶界面友好，功能可靠。

[1]李蘭英，劉 洋，姜秀麗.嵌入式系統(tǒng)Bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦學(xué)習(xí)，2006（6）：35-36.

[2]聶俊航，邱 輝.Bootloader的分析和設(shè)計(jì)[J].微處理機(jī)，2006，27（4）：82-84.

[3]邵新顏，蔡梅琳.在Bootloader中實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)自動(dòng)升級(jí)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006（11）：33-34.

[4]陳 峰.Blackfin系列DSP原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004：120-255.

[5]胡曉軍，張愛成.USB接口開發(fā)技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005：117-132.