系统引导程序(Boot-loader)的设计与实现

2011届毕业设计说明书系统引导程序（Boot-loader）的设计与实现系、部：计算机与信息科学系学生姓名：颜雪瑞指导教师：秦辉职称讲师专业：计算机科学与技术班级：计本0703完成时间：2011年6月3日摘要随着移动设备的流行和发展，嵌入式系统已经成为一个热点。

它并不是最近出现的新技术，只是随着微电子技术和计算机技术的发展，微控制芯片功能越来越强大，而嵌入微控制芯片的设备和系统越来越多，从而使得这种技术越来越引人注目。

它对软硬件的体积大小、成本、功耗和可靠性都提出了严格的要求。

嵌入式系统的功能越来越强大，实现也越来越复杂，随之出现的就是可靠性大大降低。

最近的一种趋势是一个功能强大的嵌入式系统通常需要一种操作系统来给予支持，这种操作系统是已经成熟并且稳定的,可以是嵌入式的Linux，WINCE等等。

相应地，这也给处理器提出了要求。

当今，众多的半导体厂商都生产基于ARM 体系结构的通用微处理芯片，ARM技术已经在当今的嵌入式微处理器领域中占据了它的领先地位。

究其原因，它的以精简指令构架为主又不放弃与复杂指令平衡的设计，使得在获得高性能的同时又能做到低功耗。

本文所研究的内容是基于ARM嵌入式系统bootloader的设计与实现。

Bootloader是嵌入式系统中执行在内核操作系统前的一段代码，它的基本作用就是加载内核镜像。

在实践平台上，本课题硬件采用ARM9系列的S3C2440A作为处理器，具有一定的代表性。

关键词：嵌入式系统; ARM; BootloaderABSTRACTWith the popularity of mobile devices and development of embedded systems has become a hot spot.It is not a recent emergence of new technology, but with the microelectronics and computer technology, more and more micro-control chip functions, and embedded micro-controller chip devices and systems more and more, making this technology moreand more noticeable.The volume of its hardware and software size, cost, power consumption and reliability have made stringent requirements.More powerful embedded systems to achieve more and more complex, the resulting reliability is greatly reduced.A more recent trend is a powerful embedded systems usually require an operating system to support this operating system is already mature and stable, can be embedded Linux, WINCE and so on.Accordingly, it also made a request to the processor.Today, many semiconductor manufacturers are producing generic architecture based on ARM micro-processing chip, ARM technology has in today's embedded microprocessors occupy its leading position.The reason is mainly that it's reduced instruction set architecture and complex instructions not to give a balanced design, makes do while achieving high performance with low power consumption.This paper is to study the ARM-based embedded system design and implementation of bootloader.Bootloader is the implementation of embedded systems in the period before the operating system kernel code, and its basic function is to load the kernel image.In practice platform, the hardware used in this project as S3C2440A ARM9 family processor, with a certain representation.Keywords: embedded system; ARM; Bootloader目录摘要 (I)1 绪言 (1)1.1 研究背景 (1)1.2 主要研究工作 (2)1.3 主要内容 (2)2 ARM处理器简介 (3)2.1 ARM处理器 (3)2.1.1 ARM处理器介绍 (3)2.2 ARM处理器的优势 (7)2.2.1 RISC指令集 (7)2.2.2 低功耗 (8)3 ARM体系结构介绍 (10)3.1 ARM core描述 (10)3.2 ARM处理器工作状态及模式 (11)3.2.1 ARM处理器模式 (11)3.2.2 ARM寄存器组介绍 (12)3.2.3 ARM存储系统 (15)3.2.4 ARM指令集介绍 (16)3.2.5 ARM体系的异常中断 (17)3.3 ARM最小系统 (19)4 Bootloader的概念 (20)4.1 Bootloader的基本概念 (20)4.2 Bootloader的操作模式 (21)4.3 Bootloader的概念扩展 (21)4.4 ARM Bootloader的共性 (22)5 Bootloader的设计与实现 (24)5.1 课题研究的平台环境 (24)5.1.1 硬件平台 (24)5.1.2 软件环境以及软件开发工具 (25)5.2 Bootloader的总体设计 (26)5.2.1 阶段设计 (26)5.2.2 地址规划设计 (26)5.2.3 模式设计 (27)5.3 Bootloader的具体实现 (28)5.3.1 阶段1的代码实现 (29)5.3.2 阶段2的代码实现 (33)5.3.3 代码的编译 (36)6 总结与展望 (39)参考文献 (40)致谢 (41)1 绪言1.1 研究背景随着人民生活水平提高带来巨大的消费需求、信息化进程的推进、电信运营业的发展，信息产业市场空间将得到进一步拓展。

在这良好的经济环境下，嵌入式系统领域得到进一步的拓宽与发展。

嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可剪裁来适应系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各行业的具体应用相结合后的产物，它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

嵌入式系统广泛地应用在信息终端、工业控制和信息家电等领域。

在嵌入式系统的开发中，嵌入式软件是实现各种系统功能的关键，也是计算机技术最活跃的研究方向之一。

不同应用对嵌入式软件系统有不同的要求，并且随着计算机技术的发展，这些要求也在不断变化。

通常，应用系统对嵌入式软件的基本要求是体积小、执行速度快、具有较好的可剪裁性和可移植性。

特别地，现在对嵌入式软件来说，都需要操作系统的支持。

简单的嵌入式系统根本没有操作系统，而只是一个控制循环。

但是，当系统变得越来越复杂时，就需要一个嵌入式操作系统来支持，否则应用软件就会变得过于复杂，使开发难度过大，安全性和可靠性都难以保证。

嵌入式软件，特别是操作系统的支持，使得对硬件的要求越来越高。

针对嵌入式系统的各种微处理器遍布各个角落。

特别是采用ARM技术IP核的各种微处理器遍及各类产品市场。

ARM技术以其较高的性能和功效，使得在嵌入式系统中得到广泛应用。

世界上几乎所有的主要半导体厂商都生产基于ARM体系结构的通用芯片，如TI，Motorola，Intel，NS，Ateml，Philips，SAMSUNG等。

目前，ARM芯片广泛应用于汽车电子、保安设备、无线通信、智能手机等多个领域。

应该说，ARM无处不在。

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。

1.2 主要研究工作本文的题目尽管涉及到ARM系统，但是，由于bootloader的特殊性以及个别性，即bootloader与具体的处理器以及具体的硬件系统紧密联系在一起，需要实际的完整硬件系统支持，而基于ARM 920T体系的芯片实在太多，每款芯片除了具有基本的ARM体系结构的通性外，通常还具有各自独特的特性，还需分别处理。

因此，在真正的开发环节上，本课题主要基于ARM 920T体系构架的S3C2440A处理器，由此扩展到整个ARM系统。

在实现过程中具体研究开发如下：★选择基于ARM 920T构架的S3C2440A芯片作为处理器，并以此构建一套硬件开发系统。

★与实际项目接轨，选择GNU的linux作为系统的操作系统。

★在上述软硬件开发系统上实现基于S3C2440A的bootloader的基本功能，即引导加载内核镜像的功能。

★在ARM920T的构架基础上，分析对于ARM处理器芯片，bootloader实现的一些共性及限制。