基于ARM_Linux嵌入式系统引导程序的设计 (1)

创
图 ２ Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 运行流程图
３．１ 其中， Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 的 Ｓｔａｇｅ１ 通常依次执行以下
新 主要步骤： ３．１．１ 硬件设备初始化。
其 目 的 是 为 执 行 Ｓｔａｇｅ２ 及 随 后 的 操 作 系 统 Ｋｅｒ－
ｎｅｌ 准备好一些基本的硬件环境。
（ａ） 建立中断向量表， 当程序出现异常后可跳转到
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《Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
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ＡＲＭ 开 发 与 应 用
ＣＰＵ预留的全部 ＲＡＭ 地 址空间。而是 往往只把 ＣＰＵ 预 留 的 全 部 ＲＡＭ 地 址 空 间 中 的 一 部 分 映 射 到 ＲＡＭ 单元上， 而让剩下的那部分预留 ＲＡＭ 地址空间处于 未 使 用 状 态 。 如 Ｓ３Ｃ２４１０ 使 用 的 ＲＡＭ 空 间 仅 为 ０ｘ３０００００００－ ０ｘ３３ｆｆｆｆｆｆ。
Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ ０ｘ００００００００
图 １ Ｆｌａｓｈ 中的布局
２ Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 运行流程
系统加电或复位后， 所有的 ＣＰＵ 通常都从某个由
己的 Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ。
１ 系统组成
典型的 ＡＲＭ 嵌入式系统硬件平台一般包括 一个 以 ＡＲＭ 为内核的处理器、存储器和必要的外部接口 与设备。在本系统中， 采用内嵌 ＡＲＭ９２０Ｔ 的 Ｓａｍｓｕｎｇ 公司 Ｓ３Ｃ２４１０ 处理器， 工作频率 ２００ＭＨｚ， 存储器使用 ２ＭＢ 的 Ｎｏｒ Ｆｌａｓｈ 和 ６４ＭＢ 的 ＳＤＲＡＭ， 外部接口除 了 用于下载 和通信 的 串 口 ， 还 配 备 有 以 太 网 接 口 、ＵＳＢ 接口。
关键词： Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ ；Ｓ３Ｃ２４１０；引导；嵌入式系统
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｐ ２５６
文献标识码：Ａ
重 点 阐 述 了 Ｂｏｏｔ－
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ａｎｄ ｆｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂｏｏｔｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍｍｅ－ Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ａｎｄ Ｉ ｔａｋｅ ｌｏａｄｉｎｇ Ｌｉｎｕｘ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｋｅｒｎｅｌ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ， ｅｘｐａｔｉａｔｅ ｏｎ ｅｖｅｒｙ ｓｔｅｐ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ ｒｕｎｎｉｎｇ ｐｒｏ－ ｃｅｓｓ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 、Ｓ３Ｃ２４１０、Ｂｏｏｔｉｎｇ、Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ．
技
概述
在专用的嵌入式开发板上运行操作系统（ 如 Ｌｉｎ－ ｕｘ） 已经变得越来越流行， 而 Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 就是为引导操 作系统内核运行的一段代码。通过它可以初始化硬件 设 备 、建 立 或 检 测 内 存 空 间 的 映 射 ， 其 功 能 有 点 类 似 于 ＰＣ 机的 ＢＩＯＳ（ 基本输入输出系统） 程序。它的主要 作用是为运行操作系统提供基本的运行环境， 并操作 系 统 的 内 核 装 载 到 存 储 器 （ ＲＡＭ） 中 的 合 适 位 置 上 去
ｂｌ ｍａｉｎ ｂ ＿ｔｒａｍｐｏｌｉｎｅ ３．２．２ 初始化本阶段要使用到的硬件设备 这通常包括： 初始化至少一个串口， 以便和终端 用户进行 Ｉ／Ｏ 输出信息； 初始化计时器等。在初始化这 些设备之前， 也 可以重新把 ＬＥＤ 灯 点 亮 ， 以 表 明 我 们 已经进入 ｍａｉｎ（）函数执行。设备初始化完成后， 可以输 出一些打印信息， 程序名字字符串、版本号等。 ３．２．３ 检测系统的内存映射（ Ｍｅｍｏｒｙ ｍａｐ） 所谓内存映射 就是指在整 个 ４ＧＢ 物理地址 空 间 中 有 哪 些 地 址 范 围 被 分 配 用 来 寻 址 系 统 的 ＲＡＭ 单 元 。ＣＰＵ 通 常 预 留 出 一 段 足 够 大 的 地 址 空 间 给 系 统 ＲＡＭ， 但是在搭建具体的嵌入式系统时不一定会实现
相应子程序执行。如
ｂ ＲｅｓｅｔＡｄｄｒ ；
ｂ ＵｎｄｅｆＡｄｄｒ ；ｈａｎｄｌｅｒ ｆｏｒ Ｕｎｄｅｆｉｎｅｄ ｍｏｄｅ ０ｘ４
ｂ ＳＷＩ＿Ａｄｄｒ ；ｈａｎｄｌｅｒ ｆｏｒ ＳＷＩ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ０ｘ８
ｂ ＰｒｅＡｂｏｒｔＡｄｄｒ ；ｈａｎｄｌｅｒ ｆｏｒ ＰｒｅＡｂｏｒｔ ０ｘＣ
ｂ ＤａｔａＡｂｏｒｔＡｄｄｒ ；ｈａｎｄｌｅｒ ｆｏｒ ＤａｔａＡｂｏｒｔ ０ｘ１０
由于 Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 的实现依 赖于 ＣＰＵ 的体系 结 构 ， 因 此 Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 功 能 的 实 现 基 本 可 分 为 Ｓｔａｇｅ１ 和 Ｓｔａｇｅ２ 两 大 部 分 ， 分 别 运 行 于 系 统 的 ＲＯＭ 和 ＲＡＭ
刘晶晶：硕士研究生
中。依赖于 ＣＰＵ 体系结构的代码， 比如设备初始化代
入式操作系统内核是嵌入式系统加电运行后的管理
术 平台， 负责实时性任务和多任务的管理。文件系统是 创 嵌入式系统软件平台占用存储量最大的一部分 ， 也是
与用户开发最相关的一部分。它存储了系统配置文
新 件、系统程序、用户应用程序和必需的驱动程序。 软
件平台固化在 Ｆｌａｓｈ 中， 通常分为三个区， 具体分布空 间如图 １。
ｂ．
；ｒｅｓｅｒｖｅｄ ０ｘ１４
ｂ ＩＲＱ＿Ａｄｄｒ ；ｈａｎｄｌｅｒ ｆｏｒ ＩＲＱ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ０ｘ１８
ｂ ＦＩＱ＿Ａｄｄｒ ；ｈａｎｄｌｅｒ ｆｏｒ ＦＩＱ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ０ｘ１Ｃ
（ｂ） 屏蔽所有的中断。为中断提供服务通常是操作
系统设备驱动程序的责任， 因此在 Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 的执行
软件平台由以下部分组成： Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ、嵌入式操 作系统内核（ Ｋｅｒｎｅｌ） 、文件系统（ Ｆｉｌｅ ｓｙｓｔｅｍ） 。其中， 嵌
ห้องสมุดไป่ตู้
ＣＰＵ 制造商预先安排的地址上取指 令。比如 Ｓａｎｓｕｎｇ Ｓ３Ｃ２４１０ ＣＰＵ， 在 系 统 加 电 或 复 位 时 就 会 从 地 址 ０ｘ００００００００ 处读取它 的第一条指 令。基于 ＣＰＵ 构 建 的嵌入式系统则通常都会有某种类型的固态存储设 备（如本例中的 ＦＬＡＳＨ）被映射到这个预先安排的地址 上， 而 Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 程序一般正是被烧录或者下载到固 态存储设备的 ０ｘ００００００００ 地址处， 因此在系统在加电 或复位后， ＣＰＵ 将会首先执行 Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 程序。一个典 型简单的 Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 运行流程图如图 ２ 所示。
等。
（ｅ） 初始化 ＬＥＤ。典型地， 通过 ＧＰＩＯ 来驱动 ＬＥＤ，
其目的是表明系统的状态是正常还是出现错误。
３．１．２ 为加载 Ｓｔａｇｅ２ 准备 ＲＡＭ 空间， 拷贝 Ｓｔａｇｅ２ 到 ＲＡＭ 中。
为了获得更快的执行速度， 通常把 Ｓｔａｇｅ２ 加载 到 ＲＡＭ 空 间 中 来 执 行 ， 因 此 必 须 为 加 载 Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 的 Ｓｔａｇｅ２ 准备好一段可用的 ＲＡＭ 空间范围。具体的地址 范围可以任意安排， 比如我们习惯将 Ｓｔａｇｅ２ 可执行映 像安排到 ＲＡＭ 地址最 顶部 １ＭＢ 开始的 空间内执行 。 拷贝时要确定两点： Ｓｔａｇｅ２ 的可执行映像存放在 Ｆｌａｓｈ 中的起始地址和终止地址； 以及 ＲＡＭ 空间的起始地 址。
Ｆｉｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ０ｘ００２０００００
运行。本文将以 Ｓａｍｓｕｎｇ 公司的 Ｓ３Ｃ２４１０ 开发板为开 发平台， 具体阐述了 Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 的运行原理与实现分 析。
Ｋｅｒｎｅｌ
０ｘ０００ｃ００００ ０ｘ０００１００００
Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 程序与 ＣＰＵ 芯片的内核结构、具体芯 片和使用的操作系统等因素有着密切关系， 因此要为 所有类型的嵌 入式开发板建 立一个通用 的 Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 几乎是不可能的。尽管如此， 本文将尽量对 Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 归纳出一些通用的概念， 以帮助特定用户设计实现自
３．２．４ 加 载 内 核 映 像 和 根 文 件 系 统 映 像 并 从 Ｆｌａｓｈ 上拷贝
规划内存占用的布局。这里包括两个方 面： （１）内 核映像所占用的内存范围； （ ２） 根文件系统所占用的 内存范围。对于内核映像， 一般将其拷贝到从 （ＭＥＭ＿ＳＴＡＲＴ＋０ｘ８０００） 这个基地址开始的大约 １ＭＢ 大小的内存范围内 （嵌入式 Ｌｉｎｕｘ 的内核一般 都不超 过 １ＭＢ）。从 ＭＥＭ＿ＳＴＡＲＴ 到 ＭＥＭ＿ＳＴＡＲＴ＋０ｘ８０００ 这 段 ３２ＫＢ 大小的内存之所以被空 出， 是因为 Ｌｉｎｕｘ 内 核要在这段内存中放置一些全局数据结构， 如： 启动 参数和内核页表等信息。而对于根文件系统映像， 则 一般将其拷贝到 ＭＥＭ＿ＳＴＡＲＴ＋０ｘ００１０，００００ 开始的地 方。若采用 Ｒａｍｄｉｓｋ 作为根文 件系统映像 ， 则其解压 后的大小一般为 １ＭＢ。
《嵌入式系统应用精选 ２００ 例》
邮局订阅号： ８２－９４６ ３６０ 元 ／ 年 － １２３ －
ＡＲＭ 开 发 与 应 用
中 文 核 心 期 刊 《 微 计 算 机 信 息 》（ 嵌 入 式 与 Ｓ ＯＣ ）２００６ 年 第 ２２ 卷 第 ２－２ 期
码 等 ， 通 常 都 放 在 Ｓｔａｇｅ１ 中 ， 基 本 都 用 汇 编 语 言 来 实 现， 以达到简短精练的目的。而 Ｓｔａｇｅ２ 则通常用 Ｃ 语 言来实现， 这样可以实现更复杂的功能， 而且代码会 具有更好的可读性和可移植性。
启动／重启
Ｃ语 言 入 口 点
定义入口点
初始化关键的输入／输出设备 （ 如中断、串口、ＬＣＤ）
初始化堆栈指针
打印信息到控制台
配置系统内存映射
建立异常向量表
初始化 Ｃ 代码所需的读／写 内存空间
切换处理器到用户模式