基于ARM的嵌入式系统Bootloader启动流程分析.

基于ARM的嵌入式系统Bootloader启动流程分析

来源：西部工控网一. 引言：

PC机，其开机后初始化处理器配置、硬件初始化等操作是由BIOS （Basic Input /Output System）完成，但嵌入式系统来说，出于经济性、价格方面考虑一般不配置BIOS，我们必须自行编写完成这些工作程序，这就是所需要开机程序。而嵌入式系统中，通常并没有像 BIOS 那样固件程序，启动时用于完成初始化操作这段代码被称为Bootloader程序，整个系统加载启动任务就完全由Bootloader 来完成。简单说，这段程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间映射图（有CPU没有内存映射功能如S3C44B0），将系统软硬件环境设定一个合适状态，为最终调用操作系统内核、运行用户应用程序准备好正确环境。Bootloader依赖于实际硬件和应用环境，要为嵌入式系统建立一个通用、标准Bootloader是非常困难。Bootloader也依赖于具体嵌入式板级设备配置，这也就是说，两块不同嵌入式主板而言，它们是基于同一 CPU 而构建，要想让运行一块板子上 Bootloader 程序也能运行另一块板子上，通常都需要修改 Bootloader 源程序。

二. 启动流程

系统加电复位后，几乎所有 CPU都从由复位址上取指令。比如，基于 ARM7TDMI内核CPU复位时通常都从址 0x00000000处取它第一条指令。而以微处理器为核心嵌入式系统通常都有某种类型固态存储设备（比如EEPROM、FLASH等）被映射到这个预先设置好址上。系统加电复位后，处理器将首先

执行存放复位址处程序。集成开发环境可以将Bootloader定位复位址开始存储空间内，Bootloader是系统加电后、操作系统内核或用户应用程序运行之前，首先必须运行一段程序代码。嵌入式系统来说，有使用操作系统，也有不使用操作系统，比如功能简单仅包括应用程序系统，但系统启动时都必须执行Bootloader，为系统运行准备好软硬件运行环境。

系统启动通常有两种方式，一种是可以直接从Flash启动，另一种是可以将压缩内存映像文件从Flash（为节省Flash资源、提高速度）中复制、解压到RAM，再从RAM启动。当电源打开时，一般系统会去执行ROM（应用较多是Flash）里面启动代码。这些代码是用汇编语言编写，其主要作用初始化CPU和板上必备硬件如内存、中断控制器等。候用户还必须自己板子硬件资源情况做适当调整与修改。

系统启动代码完成基本软硬件环境初始化后，有操作系统情况下，启动操作系统、启动内存管理、任务调度、加载驱动程序等，最后执行应用程序或等待用户命令；没有操作系统系统直接执行应用程序或等待用户命令。

启动代码是用来初始化电路以及用来为高级语言写软件做好运行前准备一小段汇编语言，商业实时操作系统中，启动代码部分一般被称为板级支持包，英文缩写为BSP。它主要功能就是：电路初始化和为高级语言编写软件运行做准备。系统启动流程如图1所示，主要过程如下：

1. 启动代码第一步是设置中断和异常向量。

2. 完成系统启动所必须最小配置，某些处理器芯片包含一个或几个全局寄存器，这些寄存器必须系统启动最初进行配置。

3. 设置看门狗，用户设计部分外围电路必须系统启动时初始化，就可以放这一步。

4. 配置系统所使用存储器，包括Flash，SRAM和DRAM等，并为他们分配址空间。系统使用了DRAM或其它外设，就需要设置相关寄存器，以确定其刷新频率，数据总线宽度等信息，初始化存储器系统。有些芯片可寄存器编程初始化存储器系统，而较复杂系统通常集成有MMU来管理内存空间。

5. 为处理器每个工作模式设置栈指针，ARM处理器有多种工作模式，每种工作模式都需要设置单独栈空间。

6. 变量初始化，这里变量指是软件中定义已经赋好初值全局变量，启动过程中需要将这部分变量从只读区域，也就是Flash拷贝到读写区域中，这部分变量值软件运行时有可能重新赋值。还有一种变量不需要处理，就是已经赋好初值静态全局变量，这部分变量软件运行过程中不会改变，可以直接固化只读Flash或EEPROM中。

7. 数据区准备，软件中所有未赋初值全局变量，启动过程中需要将这部分变量所区域全部清零。

8. 最后一步是调用高级语言入口函数，比如main函数等。

三. 程序分析

下面实际测试代码详细讲述系统启动过程。

.text /*将此操作符开始代码编译到代码段或代码段子段中*/ /* 集成开发环境（IDE）可以链接脚本文件将下面语句定位零起始址，系统上电后CPU从此处开始执行*/

ENTRY:

b ResetHandler /*跳至ResetHandler，此句被定位零起始址*/ /*除用户模式外其他6种模式称为特权模式。特权操作模式主要处理异常和监控调用（称为软件中断），它们可以自由访问系统资源和改变模式。特权模式中除系统模式以外5种模式又称为异常模式，下面代码用于出现异常时CPU就会以下语句自动跳转到对应异常处理程序处*/

b HandlerUndef /* handlerUndef */

b HandlerSWI /* SWI interrupt handler */

b HandlerPabort /* handlerPAbort */

b HandlerDabort /* handlerDAbort */

b . /* handlerReserved */

b HandlerIRQ

b HandlerFIQ

… ...

… ...

ResetHandler: /*上电后跳转到此处开始执行*/

Ldr r0,=WTCON /*禁止看门狗*/

ldr r1,=0x0

str r1,[r0]

ldr r0,=INTMSK /*屏蔽所有中断请求*/

ldr r1,=0x07ffffff

str r1,[r0]

/*设置时钟控制寄存器*/

ldr r0,=LOCKTIME

ldr r1,=0xfff

str r1,[r0]

.if PLLONSTART

ldr r0,=PLLCON /* 设置PLL */

ldr r1,=((M_DIV<<12)+(P_DIV<<4)+S_DIV)

/*Fin=8MHZ,Fout=64MHZ*/

str r1,[r0]

.endif

ldr r0,=CLKCON

ldr r1,=0x7ff8 /*所有单元时钟允许*/

str r1,[r0]

/*为BDMA设置复位值*/

ldr r0,=BDIDES0

ldr r1,=0x40000000 /* BDIDESn 复位值应为

0x40000000 */

str r1,[r0]

ldr r0,=BDIDES1

ldr r1,=0x40000000 /* BDIDESn 复位值应为

0x40000000 */

str r1,[r0]

/*设置存储器控制寄存器，存储器配置数据都存储SMRDATA为起始址

数据表中，下面代码可以一次将预先配置好初始化数据存入与存储器控制器相关13个寄存器，这些寄存器则是以0x01c80000为起始址13个连续32位寄存器*/

ldr r0,=SMRDATA

ldmia r0,{r1-r13}

ldr r0,=0x01c80000 /* BWSCON存储控制寄存器址*/

stmia r0,{r1-r13}

/*初始化堆栈*/

/* CPU复位后是处于管理模式下，首先要初始化管理模式下堆栈寄存器*/ ldr sp, =SVCStack

/*处理器每种运行模式都要有自己独立物理堆栈寄存器R13，用户应用程序初始化部分，一般都要初始化每种模式下R13，使其指向该运行模式栈空间，这样，当程序运行进入异常模式时，可以将需要保护寄存器放入R13所指向堆栈，而当程序从异常模式返回时，则从对应堆栈中恢复，采用这种方式可以保证异常发生后程序正常执行*/

bl InitStacks /*跳转至其它堆栈初始化程序并返回*/

/*设置IRQ中断处理*/

/*44B0有两种中断模式：一种是没有中断向量表；一种是使用了中断向量表，使用中断向量表只能是IRQ方式。当使用中断向量表时候，中断发生时由S3C44B0中断控制器中断向量表，利用硬件方式自动跳转到相应中断处理服务程序所位置；不使用中断向量表时按下面代码，利用软件方式跳转而进行中断处理，S3C44B0有30个中断源，需要程序判断以确定调用那个中断服务程序*/

ldr r0,=HandleIRQ /*0x18和0x1c址处无“subs pc,lr,#4”*/

ldr r1,=IsrIRQ /*中断正常返回这些语句是必须*/

str r1,[r0]

/*拷贝读写区域数据/数据区准备，将系统需要读写数据和变量从ROM拷贝到RAM里。Image_RO_Limit、Image_RW_Base、Image_ZI_Base 等这些符号还会另外链接脚本文件中出现，这些符号是用来定位程序各个段参考信息。集成开发环境编译链接时候会我们编写程序，把它们转换成用来对各个段定位址信息*/

LDR r0, =Image_RO_Limit /*取只读数据区域址指针*/

LDR r1, =Image_RW_Base /*准备执行拷贝操作*/

LDR r3, =Image_ZI_Base

CMP r0, r1 /*检查是否相同*/

BEQ F1 /*相同则跳过拷贝操作*/

F0:

CMP r1, r3 /*执行拷贝操作*/

LDRCC r2, [r0], #4

STRCC r2, [r1], #4

BCC F0

F1:

LDR r1, =Image_ZI_Base /*零数据准备区起始址*/

MOV r2, #0

F2:

CMP r3, r1 /*执行数据区清零*/

STRCC r2, [r3], #4

BCC F2

MRS r0, CPSR

BIC r0, r0, #NOINT /*中断请求允许*/

MSR CPSR_cxsf, r0

/* 跳转到C入口程序*/

BL Main

B．

四. 总结：

启动过程中初始化程序就是初始化CPU内部各个关键寄存器、配置外围硬件电路相关寄存器、建立中断向量表等，然后跳转到一般由高级语言编写主函数应用程序代码去执行，这样就可以利用高级语言来编写完成系统设计所要求各种功能。初始化过程对大多数初学者来说，比较难理解是中断处理和一些少见操作符号，这些符号多是一些宏定义或系统用于内存空间中对各个段定位标识符号。掌握了S3C44B0启动代码之后，对系统功能程序设计会起到很大帮助，是进行下一步程序设计基础。