基于FPGA嵌入式Bootloader的设计与实现
基于ARM嵌入式开发的BootLoader设计与实现
Ｃ ｏ ｍ ｐ ｕ ｔ ｅ ｒ Ｋ ｎ ｏ ｗ ｌ ｅ ｄ ｇ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ 电脑知识 技术
２ ． ２ Ｂ ｏ ｏ ｔ ｌ ｏ ａ ｄ ｅ ｒ 的 第 一 阶 段
Ｂ ｏ ｏ ｔ ｌ ｏ ａ ｄ ｅ ｒ 第一 阶段 的功能 ：
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ １ — ０ ９
７ ６ ２ ｎ “ 本栏目责任编 辑 ： 谢媛媛
第１ Ｏ卷第４期 （ ２ ０ １ ４年２月）
Ｓ Ｄ主 机 和 ＭＭＣ 接 口， ２ 路Ｓ Ｐ Ｉ 。￥ ３ Ｃ ２ ４ １ ０ 芯片可运行在 ２ ０ ０ Ｍ Ｈｚ 以上。
２ Ｂ ｏ ｏ ｔ ｌ ｏ ａ ｄ ｅ ｒ 设 计与 实现
通常Ｂ ０ ｏ ｔ ｌ ｏ ａ ｄ ｅ ｒ 的加载有两种方式 ： 第一是通过 Ｎ Ｏ Ｒ Ｆ Ｌ Ａ Ｓ Ｈ启动 ， 其特点是速度快 。Ｃ Ｐ Ｕ可 以像访 问内存 一样直接访 问Ｎ Ｏ Ｒ
Ｖｏ １ ． １ ０ ， Ｎｏ ． ４， Ｆ ｅ ｂ ｒ ｕ ａ ｒ ｙ ２ ０ １ ４
基于 Ａ ＲＭ 嵌 入式 开 发 的 Ｂ ｏ ｏ ｔ Ｌ ｏ ａ ｄ ｅ ｒ 设 计 与 实现
徐 磊
（ 贵州师范大学 数学 与计算机学院 ， 贵州 贵阳 ５ ５ ０ ０ ０ １ ）
摘要： 该 文 简要介 绍 了嵌入 式开发 中引导程 序的 重要 性 。以及嵌入 式 开发 过程 申Ｂ ｏ ｏ ｔ Ｌ ｏ ａ ｄ ｅ ｒ 的 实现原理 ， 并结合基 于
基于ARM嵌入式系统的通用bootloader的设计与实现-百度文库.
基于ARM 嵌入式系统的通用bootloader 的设计与实现绪论：随着嵌入式产品中高端微处理器ARM 的加入以及软件上操作系统的支持,使得整个嵌入式系统拥有了完整的构架。
现在,专门为嵌入式产品开发的各个操作系统层出不穷,WINDOW CE，POCKET PC，Linux 等等，各界关注地也特别多。
然而，如何进行加载操作系统这个问题却很少有人提出.这就产生了另一个相关主题bootloader 。
Bootloader 本身的功能就是引导与加载内核镜像。
如何实现bootloader 的基本功能，如何针对基于ARM 体系的微处理器来实现bootloader ,就成为本课题的一个基本论题。
,除了基本功能，bootloader 还能有什么更加具体的扩展功能来方便各个系统开发者，都属于本课题讨论的范畴。
第一章:ARM 简介第一节：ARM 微处理器嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器.目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种,流行体系结构有30多个系列。
嵌入式微处理目前主要有Am186/88、386EX 、SC-400、Power PC、MIPS 、ARM 系列等。
其中，ARM 是一种今年来在嵌入式系统中有着强大影响力的微处理器设计商和制造商,ARM 的设计非常适合与小的电源供电系统。
特别是,随着近年来，微处理器结构由RISC （精简指令集)全面取代传统的CISC （复杂指令集）,因为ARM 是著名的RISC 的拥护者。
采用RISC 结构的ARM 微处理器一般具有如下特点:1．体积小、低功耗、低成本、高性能；2．支持Thumb （16位）/ARM（32位)双指令集,能很好地兼容8/16位器件;3．大量使用寄存器，指令执行速度更快；4．大多数数据操作都在寄存器中完成；5．寻址方式灵活简单,执行效率高；6．指令长度固定；下图所示的是ARM 构架图。
它由32位ALU 、若干个32位通用寄存器以及状态寄存器、32×8位乘法器、32×32位桶形移位寄存器、指令译码以及控制逻辑、指令流水线和数据/地址寄存器组成。
FPGA嵌入式系统开发与实例
03
fpga嵌入式系统设计语 言及工具
vhdl语言
总结词
VHDL是一种用于描述数字电路和系统的硬件描述语言。
详细描述
VHDL是一种超前描述语言，可以用于描述时序和组合逻辑电 路，以及更复杂的数字系统。它支持信号赋值、条件语句、 循环语句等结构，适用于描述复杂的数字系统。
verilog语言
总结词
FPGA嵌入式系统的主要目的是 利用FPGA的并行处理能力和灵 活性来提高整个系统的性能和
效率。
在FPGA嵌入式系统中，FPGA 通常被用作执行复杂逻辑功能 和并行数据处理的核心部件。
fpga嵌入式系统应用领域
通信
FPGA嵌入式系统广泛应用于通信领域，如高速数 据传输、无线通信、光纤通信等。FPGA可以用于 实现复杂的调制解调、信号处理和数据压缩等功 能。
根据需求分析结果，进行硬件部分的设计，包括 芯片选型、电路设计、接口设计等。
软件设计
进行软件部分的设计，包括编程语言选择、算法 设计、程序结构规划等。
硬件与软件的集成
将硬件和软件部分进行集成，实现预定的功能和 性能。
仿真验证
仿真环境搭建
选择合适的仿真工具，搭建仿真环境，为后续仿真 验证提供条件。
功能验证
Verilog是一种用于描述数字电路和系统的硬件描述语言。
详细描述
Verilog是一种基于事件的描述语言，可以用于描述数字电路和系统的行为和 结构。它支持模块化设计、信号赋值、条件语句、循环语句等结构，适用于 描述复杂的数字系统。
icarus tool
总结词
Icarus是一个开源的FPGA设计工具，用于Verilog HDL模拟和综合。
安全性和可靠性
嵌入式系统广泛应用于各个领域，对其安全性和可靠性的 要求也越来越高，需要采取有效的措施来确保系统的安全 性和可靠性。
嵌入式系统的Bootloader
• 应用程序部分 ➢构建基本的嵌入式Linux文件系统 ➢应用程序开发与移植
嵌入式系统设计
-目标机开发模式
并口/串口
嵌入式系统设计
JTAG
BootLoader和嵌入式Linux嵌入式系统计BootLoader分类
• BootLoader ➢LILO ➢GRUB ➢U-BOOT
嵌入式系统设计
嵌入式系统的BootLoader
嵌入式系统设计
• 嵌入式Linux系统从整体上讲，可以分为五大部分:
– BootLoader（引导加载程序） – Kernel（内核） – File System（文件系统） – Device drivers（驱动程序） – Applications（应用程序）
Stage1:（阶段一主要通过汇编语言实现，依赖cpu体系结构初始化 • 进行硬件的初始化（watchdog,ram初始化）。复制Stage2阶段代码到RAM空间。 • 为Stage2加载代码准备RAM空间。 • 设置好栈。
• 跳转到第二阶段代码的入口点。
Stage2:（阶段2主要通过c语言实现，具有好的可读性和移植性） • 初始化该阶段所用到的硬件设备。 • 检测系统内存映射。 • 将uImage, Rootfs, dtb文件从flash读取到RAM内存中。 • 设置内核启动参数。（如通过寄存器传递设备树文件的内存地址）
包括正确地设置系统的内存控制器的功能寄存器以及各内存控 制寄存器等
➢ 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 OK 还是 Error。如果板子上没有 LED，那么也可以通过初始化 UART 向串口打印 BootLoader 的 Logo 字符信息来完成这一点 ➢ 关闭 CPU 内部指令／数据 cache
嵌入式系统设计实验告--BootLoader移植实验
合肥学院嵌入式系统设计实验报告（20 13 - 20 14 第 2 学期）专业：实验项目：BootLoader移植实验实验时间：2014年5月19日实验成员：____________________________________________________________________指导老师：电子信息与电气工程系2014 年 4 月制实验三BootLoader 移植实验一、实验目的1、熟悉 Bootloader 工作原理。
2、了解 U-Boot 的代码结构。
3、掌握 U-Boot 移植过程。
二、实验内容本实验熟悉 Bootloader 工作原理，了解 U-Boot 源码结构，基于 S3C2440 处理器，完成 U-Boot 移植，并在目标开发板上测试通过。
三、实验设备硬件： 1、 pc 机2、 FriendlyARM开发套件即MIRCO2440 核心板软件： 1、虚拟机（ VMware ）2、U-Boot 源码（ u-boot-2011.03.tar ）四、实验过程1、 Micro2440配置在mini2440/micro2440上的移植准备工作，我们仍然将开发板文件建立在board/samsung 下，2、配置时出现错误，字体要修改，复制粘贴的时候出现的错误，有的地方有中文，去掉就行了。
3、编译完成失败，只有上网查找错误，最后解决了错误。
11124、编译完成后将u-boot.bin下载到SDRAM的 0x33f80000地址处， u-boot已经能在RAM中运行。
二、支持DM90001、编译完成后将u-boot.bin下载到SDRAM的0x33f80000地址处。
三、支持内核启动1、编译完成后将u-boot.bin下载到SDRAM的0x33f80000地址处。
四、支持Nand Flash1、编译完成后将u-boot.bin下载到SDRAM的0x33f80000地址处。
五、实验小结本实验需要熟悉Bootloader 工作原理，了解U-Boot 源码结构，基于S3C2440 处理器，完成 U-Boot 移植，并在目标开发板上测试通过，首先可以看到实验指导书上的介绍，了解U-Boot 的移植。
嵌入式系统中Bootloader的设计与实现
计算机操作系统的内核引导程序 (Bootloader) 是系统必 不可少的一部分 其一般要实现的功能[1]如下 (1)初始化 CPU 速度 存储器 存储器配置寄存器以及串口等 (2)激活 指令/数据 Cache 建立堆栈指针 建立启动参数区 构造参 数结构和标识列表 (3)通过上电自检,来识别存在哪些设备 并报告异常 提供对电源管理中休眠/恢复的支持 (4)跳转 到内核起始处 系统启动 当前 嵌入式应用开发中使用嵌 入式操作系统已成为一个热点 是单片机应用从低水平向高 水平的一个进步 在嵌入式操作系统中 Bootloader 也被认 为是不可缺少的一段程序[2] 它主要用作系统从硬件启动到 操作系统启动的过渡 相当于 PC 机中的 BIOS 和 OS Loader 和 BIOS OS Loader 一样 它需要固化在目标板 中 每次启动目标板时 首先会运行 Bootloader 在它完成 CPU 和相关硬件的初始化后 才从规定的地址启动操作系统 或嵌入式应用的固化程序 作者结合参加 基于信息家电的 嵌入式实时操作系统研究 (广西区科技攻关项目)的项目实 践经验 以嵌入式 Linux 系统中编写 Bootloader 以及应用 Bootloader 为实例 系统总结嵌入式系统中 Bootloader 的设 计方法 这对嵌入式设备研发中使用操作系统有很好的借鉴 意义
就开始把整个 Linux 的内核拷贝到 SDRAM 中运
0x0c00.0000 开始的第 1 个 1MB 放 Bootloader 从 0x0c10.0000 行 进入 kernel 的拷贝工作
开始的 2MB 放 Linux kernel, 从 0x0c30.0000 开始的余下部分
嵌入式系统BootLoader的设
BootLoader的安装媒介
系统加电或复位后，所有的CPU通常都从CPU制造商预先 安排的地址上取指令。
基于ARM7TDMI Core的嵌入式系统中，系统在上电或 复位时是从0x00000000地址开始取第一条指令执行，而 在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader程序。
嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备(比如： ROM、EPROM或FLASH等)被安排这个起始地址上用来 存放BootLoader程序。
因此，为嵌入式系统建立一个通用的BootLoader是很困 难的。尽管如此，我们仍然可以对BootLoader（尤其是 基于同种Core的微处理器）归纳出一些通用的概念和设 计思路，用来指导用户特定的BootLoader设计与实现。
15
BootLoader的启动过程
为了增加BootLoader的通用性和可移植性，本文把启动 过程分为phasel和phase2两个阶段。
转移指令 LDR PC,=FIQHandler LDR PC,=IRQHandler NOP LDR PC,=DabortHandler LDR PC,=PabortHandler LDR PC,=SWIHandler LDR PC,=UndefHandler B ResetHandler
① 设置中断向量表
1
设置
中断向量表
2
最小硬件 初始化
RTOS运行环境
3
初始化
最 小 启 动 phase1 代 码
中断向量表放在上电后映射在从 0x00000000开始的8*4个字节的连续存储 空间中，其作用是指定了各种异常中断 处理程序的入口地址。
21
嵌入式系统的初始化流程（2）
硬件初始化阶段
嵌入式系统设计-BootLoader
u32 size; /*the byte number of the memory region*/
int
used;
}memory_area_t;
Boot Loader划分
• 大多数Boot Loader 都分为stage1 和stage2
两大部分。依赖于CPU 体系结构的代码， 比如设备初始化代码等，通常都放在stage1 中，而且通常都用汇编语言来实现，以达 到短小精悍的目的。而stage2 则通常用C语 言来实现，这样可以实现给复杂的功能， 而且代码会具有更好的可读性和可移植性。
好准备。
跳转到 stage2 的 C 入口点
Stage2
• 通常包括以下步骤(以执行的先后顺序)：
– 初始化本阶段要使用到的硬件设备。 – 检测系统内存映射(memory map)。 – 将kernel 映像和根文件系统映像从flash 上读到
RAM 空间中。 – 为内核设置启动参数。 – 调用内核。
来作为 main() 函数的外部包裹(external wrapper)
• 用汇编语言写一段trampoline 小程序，并
将这段 trampoline 小程序来作为 stage2 可执行映象的执行入口点。
• 在 trampoline 汇编小程序中用 CPU 跳转
指令跳入 main() 函数中去执行；
60KB 4KB 704KB 1280KB
Bootloader空间结构划分
控制Boot Loader 的设备或机制
• 主机和目标机之间一般通过串口建立连接，
Boot Loader 软件在执行时通常会通过串口 来进行I/O，比如：输出打印信息到串口， 从串口读取用户控制字符等
Boot Loader 的操作模式