徐磊

摘要：該文簡要介紹了嵌入式開發(fā)中引導(dǎo)程序的重要性。以及嵌入式開發(fā)過程中BootLoader的實(shí)現(xiàn)原理，并結(jié)合基于ARM體系架構(gòu)S3C2410芯片中BootLoader的具體開發(fā)過程與實(shí)例對(duì)系統(tǒng)引導(dǎo)程序作出深入剖析，測試結(jié)果表明該設(shè)計(jì)具有良好的穩(wěn)定性和高效性。

關(guān)鍵詞：嵌入式開發(fā)；bootlooder；引導(dǎo)加載程序

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）04-0762-03

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，嵌入式設(shè)備已經(jīng)普及到社會(huì)的每個(gè)角落。嵌入式處理器種類繁多，有ARM、MIPS/PPC等多種架構(gòu)。其中32位ARM嵌入式處理器具有高性能、低功耗以及價(jià)格低廉的特征，已被廣泛用于消費(fèi)電子品和無線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備上。目前用于嵌入式開發(fā)的操作系統(tǒng)多種多樣，如嵌入式Linux、VxWorks、windowsCE等。其中，Linux是遵循GPL協(xié)議的開發(fā)源碼的操作系統(tǒng)，內(nèi)核可以任意剪裁以及支持硬件種類繁多。

要把嵌入式LINUX操作系統(tǒng)移植到嵌入式設(shè)備的裸板上，我們必須開發(fā)出類似個(gè)人pc上的BIOS來把linux操作系統(tǒng)讀到內(nèi)存中運(yùn)行。這個(gè)類似于BIOS的啟動(dòng)程序就叫Bootloader，其目的是用于初始化硬件并且進(jìn)一步加載、引導(dǎo)嵌入式操作系統(tǒng)體系運(yùn)行。Bootloader功能是初始化硬件設(shè)備，完成處理器以及各種設(shè)備的初始化工作；屏蔽底層硬件差異，使得上層應(yīng)用軟件編寫和移植更加方便；調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核，起到引導(dǎo)和加載內(nèi)核的作用；向內(nèi)核傳遞必要的與硬件相關(guān)的信息。當(dāng)內(nèi)核啟動(dòng)后，Bootloader的使命也就完成，自此嵌入式設(shè)備便進(jìn)入操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運(yùn)行階段。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用基于ARM架構(gòu)的S3C2410開發(fā)板為實(shí)例，具體討論Bootloader的設(shè)計(jì)。

S3C2410芯片是ARM公司的32位ARM920T處理器核。S3C2410處理器有：獨(dú)立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器，64MB的NAND控制器，3路UART，4路DMA，I/O口，RTC，觸摸屏接口，2個(gè)USB主機(jī)，1個(gè)USB設(shè)備，SD主機(jī)和MMC接口，2路SPI。S3C2410芯片可運(yùn)行在200MHz以上。

2 Bootloader設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通常Bootloader的加載有兩種方式：第一是通過NOR FLASH啟動(dòng)，其特點(diǎn)是速度快。CPU可以像訪問內(nèi)存一樣直接訪問NOR FLASH，但是NOR FLASH價(jià)格昂貴。第二是通過NAND FLASH啟動(dòng)，其特點(diǎn)是可讀可寫，NAND FLASH速度雖然慢，但是價(jià)格便宜。

一般來說Bootloader的設(shè)計(jì)編程分兩個(gè)部分：第一部分通常用匯編實(shí)現(xiàn)，主要完成依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的初始化，復(fù)制啟動(dòng)代碼到SDRAM后，調(diào)用第二部分代碼；第二部分通常使用C語言來實(shí)現(xiàn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，比如提供FTP文件傳輸?shù)裙δ?，最后啟?dòng)內(nèi)核。

2.1 Bootloader的設(shè)計(jì)過程

Bootloader具體流程見圖2。

2.2 Bootloader的第一階段

Bootloader第一階段的功能：

相關(guān)硬件初始化；

把啟動(dòng)代碼拷貝到內(nèi)存中；

設(shè)置棧指針；

設(shè)置程序計(jì)數(shù)器PC到第二階段代碼的C入口中。

Bootloader第一階段實(shí)現(xiàn)方法：

首先，通常在執(zhí)行程序以前，首先為系統(tǒng)設(shè)置異常向量表。ARM結(jié)構(gòu)的CPU從內(nèi)存為0X0000000的地址開始執(zhí)行，系統(tǒng)定義的異常，一上電程序跳轉(zhuǎn)到reset異常處執(zhí)行相應(yīng)的匯編指令，下面定義出的都是不同的異常，比如軟件發(fā)生軟中斷時(shí)，CPU就會(huì)去執(zhí)行軟中斷的指令，這些異常中斷在CUP中地址是從0開始，每個(gè)異常占4個(gè)字節(jié)。

然后，由于ARM體系CPU具有7種工作模式，上電以后開發(fā)板首先應(yīng)該工作于管理模式。

隨著Bootloader的功能不斷的完善，其代碼量也越來越大，所以以S3C2410為代表的裸板只有4K大小的片內(nèi)內(nèi)存，無法運(yùn)行大于4K的Bootloader。因此，我們需要初始化SDRAM，并且重新定位Bootloader。然后設(shè)置好棧sp寄存器，為第二階段的C函數(shù)調(diào)用做好準(zhǔn)備。

2.3 Bootloader第二階段

Bootloader第二階段的功能

相關(guān)硬件設(shè)備初始化

檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射

將內(nèi)核映象和根系統(tǒng)映象從NANDFLASH讀到內(nèi)存中

設(shè)置內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)

調(diào)用內(nèi)核

首先，在第二階段中首先完成一些硬件設(shè)備的初始化，如初始化串口和設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘等

然后，檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射和一系列的設(shè)置

第二階段也是Bootloader的最后一個(gè)階段，其最主要的目的是把加載到SDRAM的系統(tǒng)內(nèi)核啟動(dòng)。使用C語言，可以像下列實(shí)例代碼來調(diào)用內(nèi)核。

最后，需要注意的是，bootloader加載了內(nèi)核，內(nèi)核啟動(dòng)，加載文件系統(tǒng)，進(jìn)入Linux系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中Bootloader的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。Bootloader是操作系統(tǒng)和硬件的樞紐相對(duì)于操作系統(tǒng)內(nèi)核來說他是一個(gè)硬件抽象層，他負(fù)責(zé)初始化硬件，引導(dǎo)操作系統(tǒng)內(nèi)核，監(jiān)測各種參數(shù)給操作系統(tǒng)內(nèi)核使用。設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)好的Bootloader將大大提高操作系統(tǒng)移植的穩(wěn)定性并大大加快操作系統(tǒng)移植的周期。

本文介紹的Bootloader代碼已經(jīng)在基于S3C2410芯片上運(yùn)行并測試通過。設(shè)計(jì)Bootloader的過程和程序不是一層不變的，它設(shè)計(jì)不僅依賴與不同的芯片結(jié)構(gòu)，而且開發(fā)人員可以根據(jù)自己的需求增加一些功能的。

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