Bootloader是系統(tǒng)上電" title="上電">上電/復(fù)位后，內(nèi)核啟動(dòng)程序之前執(zhí)行的一段程序，其功能是初始化硬件設(shè)備后，將操作系統(tǒng)內(nèi)核從固態(tài)存儲(chǔ)器中裝載到RAM中并引導(dǎo)其運(yùn)行，它是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)難點(diǎn)，在整個(gè)開發(fā)中占有相當(dāng)大分量。由于高度依賴CPU體系結(jié)構(gòu)和目標(biāo)板的硬件配置，并沒有一個(gè)通用的Bootloader程序可供開發(fā)者使用，因此需要自行開發(fā)或是移植。GNU組織倡導(dǎo)了一整套著名的自由軟件，包括Linux操作系統(tǒng)、編譯開發(fā)工具(gcc，g++，as，ld)、項(xiàng)目開發(fā)管理工具make以及基于不同硬件平臺(tái)的開發(fā)庫(kù)，是目前嵌入式開發(fā)者常用的軟件開發(fā)平臺(tái)。本文以三星公司的S3C44B0X為硬件平臺(tái)，利用GUN開發(fā)工具，給出了Bootloader的一種設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。
1 基于ARM7TDMI內(nèi)核的S3C44B0X的特點(diǎn)
　　S3C44B0X是Samsung公司生產(chǎn)的一款16/32位RISC處理器，為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提供了高性價(jià)比和高性能的微控制器解決方案，使用ARM7TDMI內(nèi)核，最高工作頻率可達(dá)66MHz，擁有71個(gè)多功能I/O，并提供了豐富的內(nèi)置部件，包括8KB Cache和內(nèi)部SRAM，LCD控制器，2通道UART，帶PWM功能的5通道定時(shí)器，8通道10位ADC等。S3C44B0X微處理器不具有MMU，不支持虛擬內(nèi)存管理和內(nèi)存保護(hù)。
2 建立交叉編譯環(huán)境
　　交叉編譯就是在一個(gè)平臺(tái)上生成可以在另一個(gè)平臺(tái)上執(zhí)行的代碼，由于嵌入式微處理器S3C44B0X上無(wú)法安裝人們所需要的編譯器，只好借助于宿主機(jī)，生成可以在目標(biāo)機(jī)S3C44B0X上運(yùn)行的代碼格式。在本課題設(shè)計(jì)中，將使用嵌入式開發(fā)中最普遍的GNU編譯工具。
　　為了生成能在S3C44B0X上允許的代碼，需要下載腳本文件arm-elf-tools-20030314.sh，然后在宿主機(jī)上安裝該工具鏈。GNU軟件包括C編譯器、C++編譯器G++、匯編器AS、鏈接器LD等，GNU開發(fā)工具都是使用命令行的方式，更貼近編譯器和操作系統(tǒng)的底層，提供了更大的靈活性，有助于開發(fā)者了解系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)。
3 Bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　嵌入式設(shè)備與環(huán)境中的Bootloader類似于PC系統(tǒng)的BIOS，是系統(tǒng)最底層的引導(dǎo)軟件。Bootloader固化在CPU的上電/復(fù)位的啟動(dòng)地址處(ARM7TDMI的CPU上電后默認(rèn)從地址0x0處開始執(zhí)行)。每當(dāng)硬件設(shè)備上電/復(fù)位時(shí)，CPU總是先執(zhí)行Bootloader，初始化硬件設(shè)備，改變處理器運(yùn)行模式和重組中斷向量，建立內(nèi)存空間的映射圖，將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)由用戶定制的特定狀態(tài)，然后從遠(yuǎn)程主機(jī)或者本地非易失存儲(chǔ)設(shè)備中裝載可執(zhí)行文件或操作系統(tǒng)，為整個(gè)嵌入式系統(tǒng)準(zhǔn)備運(yùn)行環(huán)境。
3.1 硬件平臺(tái)分析
　　硬件平臺(tái)是基于ARM7TDMI RISC內(nèi)核的samsung公司的S3C44B0X微處理器，整個(gè)系統(tǒng)擁有2MB的Flash，其地址從0x00000000-0x001FFFFF，有8MB的SDRAM，其地址從0x0C000000-0x0C7FFFFF，有一個(gè)USB1.1接口，及以太網(wǎng)口，還有兩個(gè)串口" title="串口">串口和一個(gè)調(diào)試接口。這里將JTAG接口轉(zhuǎn)換為并口連接方式，可直接與計(jì)算機(jī)的并口相連，避免使用昂貴的JTAG仿真器，串口主要用來輸出調(diào)試信息和輸入用戶控制字符。
3.2 Bootloader的具體設(shè)計(jì)
　　每種不同的CPU體系結(jié)構(gòu)都有不同的Bootloader，除了依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)外，Bootloader還依賴具體的嵌入式設(shè)備的配置。本文將Boot Loader的設(shè)計(jì)分為 Stage1和Stage2兩大部分，依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼，例如設(shè)備初始化代碼等，通常都放在Stage1中，而且通常都用匯編語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到短小精悍的目的，而Stage2則通常用C語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，而且代碼會(huì)具有更好的可讀性和可移植性。
3.2.1 Bootloader的總體構(gòu)架
　　針對(duì)硬件平臺(tái)特點(diǎn)和嵌入式開發(fā)中的功能需求，設(shè)計(jì)了豐富的Bootloader管理功能：串口下載、USB下載、網(wǎng)卡的Tftp服務(wù)器、Flash燒寫程序、Linux啟動(dòng)程序等。Bootloader工程的目錄結(jié)構(gòu)如圖1所示，共設(shè)置為兩級(jí)。第一級(jí)目錄下的Makefile和Bootloader.ld是整個(gè)工程的編譯文件和鏈接文件；Stage1.s是Stage1的匯編代碼文件。第二級(jí)目錄為Stage2，其中包括編譯文件Makefile、鏈接文件Stage2.ld、主管理程序Stage2.c，以及各個(gè)功能模塊Xmodem.c、Usb.c、Tftp.c、Flash.c、Linux.c等。

3.2.2 Bootloader的內(nèi)存分布
　　硬件平臺(tái)的Flash空間為2MB（0x00000000-0x001FFFFF），SDRAM空間為8MB（0x0c000000-0x0C7FFFFF）。如圖2對(duì)Bootloader進(jìn)行內(nèi)存布局，從零地址處開始存放Bootloader的整體執(zhí)行映象" title="映象">映象，Stage1部分存放在最開始處，以便系統(tǒng)一上電/復(fù)位就能執(zhí)行Stage1。0x0C700000以上的部分用于放置Stage2的RAM拷貝。0x0C7FFF00以上的255個(gè)字節(jié)存放中斷服務(wù)程序的地址，以下部分用作S3C44B0X的5個(gè)運(yùn)行模式（Undef模式、Abort模式、IRQ模式、FIQ模式、SVC模式）的堆棧。

3.2.3 異常/中斷處理
　　S3C44B0X總共有8種異常/中斷，CPU發(fā)生異常/中斷時(shí)，會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到從0x00000000地址開始的中斷向量表" title="向量表">向量表中的某個(gè)表項(xiàng)處讀取指令運(yùn)行，由于Bootloader最終要引導(dǎo)μCLinux運(yùn)行，而μCLinux要求中斷向量表設(shè)置在可隨機(jī)讀寫的RAM中，為了能夠與μCLinux兼容，這里設(shè)置了兩級(jí)中斷向量表：第一級(jí)為零地址處的中斷向量表，第二級(jí)向量表放在RAM的開始地址0x0C000000處，第一級(jí)僅是簡(jiǎn)單地向第二級(jí)跳轉(zhuǎn)。從0x0C7FFF00地址處開始存放各個(gè)異常/中斷服務(wù)程序的地址。
　　在異常服務(wù)和中斷服務(wù)處理中，將與中斷相關(guān)的例行固定不變的任務(wù)形成一個(gè)“系統(tǒng)函數(shù)”，而相應(yīng)的中斷處理任務(wù)用C代碼編寫形成“用戶函數(shù)”，這樣可以提高編程和開發(fā)的靈活性，實(shí)現(xiàn)了Bootloader良好的接口和封裝性能。在其他功能程序中只需要編寫“用戶函數(shù)”，并可以將“用戶函數(shù)”的地址任意重構(gòu)到0x0C7FFF00開始的RAM中。異常/中斷的整個(gè)處理過程如圖3所示。
3.2.4 Stage1與Stage2的設(shè)計(jì)分析
　　Bootloader的Stage1部分是硬件上電/復(fù)位開始執(zhí)行的操作，一般用匯編代碼來編寫，其目的是為Stage2的執(zhí)行以及隨后kernel的執(zhí)行初始化硬件環(huán)境，主要包括以下步驟：屏蔽所有的中斷->設(shè)置CPU的速度和時(shí)鐘頻率->關(guān)閉CPU的指令/數(shù)據(jù)Cache->設(shè)置CPU的8個(gè)bank配置->設(shè)置RAM控制器（包括刷新時(shí)序）->拷貝Stage2到地址0x0C700000->設(shè)置堆棧指針SP。在上述一切都就緒后，就可以跳轉(zhuǎn)到Stage2去執(zhí)行了，在ARM系統(tǒng)中，可以通過修改PC寄存器為相應(yīng)的地址來實(shí)現(xiàn)。

　　Stage2繼續(xù)初始化本階段用到的硬件設(shè)備，包括I/O、Cache、中斷控制器和串口等，當(dāng)所有硬件初始化完畢之后，開中斷，打印出提示信息。在Stage2階段，還有一個(gè)重要功能就是建立操作界面，提供各種調(diào)試功能，以方便用戶的開發(fā)。可以利用Windows的超級(jí)終端建立與S3C44B0X串口的連接，完成Bootloader的管理和引導(dǎo)功能，包括串口下載、USB下載、網(wǎng)口下載、Flash燒寫以及操作系統(tǒng)的引導(dǎo)等。在調(diào)試階段，將整個(gè)管理過程設(shè)置成一個(gè)無(wú)限循環(huán)，不停地從串口接收和執(zhí)行用戶命令。若執(zhí)行的是μClinux引導(dǎo)命令，則系統(tǒng)從此進(jìn)入μClinux，而不再返回Bootloader。
3.3 Bootloader的編譯和鏈接
　　采用針對(duì)ARM的GNU工具鏈來對(duì)整個(gè)Bootloader工程文件進(jìn)行編譯和鏈接，具體流程如圖4所示。先編譯生成Stage2的二進(jìn)制可執(zhí)行映象Stage2.bin；然后用二進(jìn)制文件轉(zhuǎn)換工具bin2c將其轉(zhuǎn)化為只包含一個(gè)一維數(shù)組的c文件Stage2_bin.c，GNU工具在對(duì)工程進(jìn)行第二次鏈接的時(shí)候可以在其他程序定位到數(shù)組首地址，從而得到數(shù)組的內(nèi)容，達(dá)到直接調(diào)用Stage2.bin的目的；最后將文件Stage2_bin.c和Stage1.s一起編譯生成總的Bootloader映象，Stage2_bin.c中的Stage2映象數(shù)組最終被編譯進(jìn)Bootloader中的數(shù)據(jù)段。把Stage1的可執(zhí)行映象作為代碼段，把Stage2的可執(zhí)行映象作為數(shù)據(jù)段。Bootloader在Stage1的執(zhí)行過程中，就可以把自己的數(shù)據(jù)段(即Stage2)拷貝到RAM中，然后跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。用arm-elf-ld鏈接各目標(biāo)文件時(shí)需要編寫鏈接腳本文件，指定正確的加載時(shí)域和運(yùn)行時(shí)域，對(duì)于Stage1，加載時(shí)域和運(yùn)行時(shí)域都為0x00000000開始的Flash地址空間，Stage2運(yùn)行時(shí)域被安排到0x0C700000RAM空間。