ARM初始化

嵌入式与ARM体系结构MTSE1.0总结ARM汇编程序设计掌握ARM汇编规范掌握ARM指令的汇编程序设计掌握汇编语言与C语言的混合编程MTSE1.05ARM初始化过程分析第章MTSE1.0本章目标了解ARM初始化过程熟悉BootLoader的实现原理认识Bootloader的主要任务熟悉BootLoader的结构框架MTSE1.05.1引言本章详细地介绍了基于嵌入式系统中的OS启动加载程序――BootLoader的概念、软件设计的主要任务以及结构框架等内容。一个嵌入式Linux系统从软件的角度看通常可以分为四个层次：1.引导加载程序。包括固化在固件(firmware)中的boot代码(可选)，和BootLoader两大部分。2.Linux内核。特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。3.文件系统。包括根文件系统和建立于Flash内存设备之上文件系统。通常用ramdisk来作为rootfs。4.用户应用程序。特定于用户的应用程序。有时在用户应用程序和内核层之间可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。常用的嵌入式GUI有：MicroWindows和MiniGUI。MTSE1.0引导加载程序是系统加电后运行的第一段软件代码。回忆一下PC的体系结构我们可以知道，PC机中的引导加载程序由BIOS(其本质就是一段固件程序)和位于硬盘MBR中的OSBootLoader（比如，LILO和GRUB等）一起组成。BIOS在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘MBR中的BootLoader读到系统的RAM中，然后将控制权交给OSBootLoader。BootLoader的主要运行任务就是将内核映象从硬盘上读到RAM中，然后跳转到内核的入口点去运行，也即开始启动操作系统。而在嵌入式系统中，通常并没有像BIOS那样的固件程序（注，有的嵌入式CPU也会内嵌一段短小的启动程序），因此整个系统的加载启动任务就完全由BootLoader来完成。比如在一个基于ARM7TDMIcore的嵌入式系统中，系统在上电或复位时通常都从地址0x00000000处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader程序。5.1引言MTSE1.05.1引言系统的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的内存映像文件从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，一般的系统会去执行ROM（应用较多的是Flash）里面的启动代码。这些代码是用汇编语言编写的，其主要作用在于初始化CPU和板上的必备硬件如内存、中断控制器等。有时候用户还必须根据自己板子的硬件资源情况做适当的调整与修改。系统启动代码完成基本软硬件环境初始化后，对于有操作系统的情况下，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；对于没有操作系统的系统直接执行应用程序或等待用户命令。MTSE1.0设置中断异常向量系统寄存器配置看门狗及外围电路初始化存储器电路初始化初始化栈指针变量初始化数据区准备高级语言入口函数调用启动代码是用来初始化电路以及用来为高级语言写的软件做好运行前准备的一小段汇编语言，在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。它的主要功能就是：电路初始化和为高级语言编写的软件运行做准备。右图:嵌入式系统启动流程图5.1引言MTSE1.05.2Bootloader概述简单地说，BootLoader就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。通常，BootLoader是严重地依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式世界。因此，在嵌入式世界里建立一个通用的BootLoader几乎是不可能的。尽管如此，我们仍然可以对BootLoader归纳出一些通用的概念来，以指导用户特定的BootLoader设计与实现。MTSE1.05.2Bootloader概述1.BootLoader所支持的CPU和嵌入式板每种不同的CPU体系结构都有不同的BootLoader。有些BootLoader也支持多种体系结构的CPU，比如U-Boot就同时支持ARM体系结构和MIPS体系结构。除了依赖于CPU的体系结构外，BootLoader实际上也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。这也就是说，对于两块不同的嵌入式板而言，即使它们是基于同一种CPU而构建的，要想让运行在一块板子上的BootLoader程序也能运行在另一块板子上，通常也都需要修改BootLoader的源程序。MTSE1.05.2Bootloader概述2.BootLoader的安装媒介（InstallationMedium）系统加电或复位后，所有的CPU通常都从某个由CPU制造商预先安排的地址上取指令。比如，基于ARM7TDMIcore的CPU在复位时通常都从地址0x00000000取它的第一条指令。而基于CPU构建的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备(比如：ROM、EEPROM或FLASH等)被映射到这个预先安排的地址上。因此在系统加电后，CPU将首先执行BootLoader程序。下图就是一个同时装有BootLoader、内核的启动参数、内核映像和根文件系统映像的固态存储设备的典型空间分配结构图。KernelRootFilesystemBootLoaderBootParametersMTSE1.05.2Bootloader概述3.用来控制BootLoader的设备或机制主机和目标机之间一般通过串口建立连接，BootLoader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。4.BootLoader的启动过程是单阶段（SingleStage）还是多阶段（Multi-Stage）通常多阶段的BootLoader能提供更为复杂的功能，以及更好的可移植性。从固态存储设备上启动的BootLoader大多都是2阶段的启动过程，也即启动过程可以分为stage1和stage2两部分。而至于在stage1和stage2具体完成哪些任务将在下面讨论。MTSE1.05.2Bootloader概述5.BootLoader的操作模式(OperationMode)大多数BootLoader都包含两种不同的操作模式：“启动加载”模式和“下载”模式，这种区别仅对于开发人员才有意义。但从最终用户的角度看，BootLoader的作用就是用来加载操作系统，而并不存在所谓的启动加载模式与下载工作模式的区别。启动加载（Bootloading）模式：这种模式也称为“自主”（Autonomous）模式。也即BootLoader从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中运行，整个过程并没有用户的介入。下载（Downloading）模式：在这种模式下，目标机上的BootLoader将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机（Host）下载文件，比如：下载内核映像和根文件系统映像等。MTSE1.06.BootLoader与主机之间进行文件传输所用的通信设备及协议最常见的情况就是，目标机上的BootLoader通过串口与主机之间进行文件传输，传输协议通常是xmodem／ymodem／zmodem协议中的一种。但是，串口传输的速度是有限的，因此通过以太网连接并借助TFTP协议来下载文件是个更好的选择。在通过以太网连接和TFTP协议来下载文件时，主机方必须有一个软件用来的提供TFTP服务。MTSE1.05.3BootLoader的主要任务与典型结构框架假定内核映像与根文件系统映像都被加载到RAM中运行.另外，由于BootLoader的实现依赖于CPU的体系结构，因此大多数BootLoader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。MTSE1.05.3BootLoader的主要任务与典型结构框架5.3.1Bootloader的stage1BootLoader的stage1通常包括以下步骤(以执行的先后顺序)：（1）硬件设备初始化。（2）为加载BootLoader的stage2准备RAM空间。（3）拷贝BootLoader的stage2到RAM空间中。（4）设置好堆栈。（5）跳转到stage2的C入口点。MTSE1.05.3BootLoader的主要任务与典型结构框架1基本的硬件初始化这是BootLoader一开始就执行的操作，其目的是为stage2的执行以及随后的kernel的执行准备好一些基本的硬件环境。它通常包括以下步骤（以执行的先后顺序）：1.屏蔽所有的中断。•为中断提供服务通常是OS设备驱动程序的责任，因此在BootLoader的执行全过程中可以不必响应任何中断。中断屏蔽可以通过写CPU的中断屏蔽寄存器或状态寄存器（比如ARM的CPSR寄存器）来完成。2.设置CPU的速度和时钟频率。3.RAM初始化。•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库控制寄存器等。4.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。5.关闭CPU内部指令／数据cache。MTSE1.05.3BootLoader的主要任务与典型结构框架2为加载stage2准备RAM空间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。由于stage2通常是C语言执行代码，因此在考虑空间大小时，除了stage2可执行映象的大小外，还必须把堆栈空间也考虑进来。此外，空间大小最好是memorypage大小(通常是4KB)的倍数。一般而言，1M的RAM空间已经足够了。将stage2安排到整个RAM空间的最顶1MB(也即(RamEnd-1MB)-RamEnd)是一种值得推荐的方法。RAM空间范围的大小记为：stage2_size(字节)，把起始地址和终止地址分别记为：stage2_start和stage2_end(这两个地址均以4字节边界对齐)。因此：stage2_end＝stage2_start＋stage2_sizeMTSE1.05.3BootLoader的主要任务与典型结构框架另外，还必须确保所安排的地址范围的的确确是可读写的RAM空间，因此，必须对你所安排的地址范围进行测试。(检测算法为：test_mempage，向内存中写入任意的数字。比如：向第一个字写入0x55，第2个字写入0xaa。再读出来,比较是不是写入的数据.)3拷贝stage2到RAM中拷贝时要确定两点：(1)stage2的可执行映象在固态存储设备的存放起始地址和终止地址；(2)RAM空间的起始地址。MTSE1.05.3BootLoader的主要任务与典型结构框架4设置堆栈指针sp堆栈指针设置是为了执行C语言代码作好准备。通常我们可以把sp的值设置为(stage2_end-4).系统的物理内存布局应该如右图2所示。MTSE1.05.3BootLoader的主要任务与典型结构框架5跳转到stage2的C入口点在上述一切都就绪后，就可以跳转到BootLoader的stage2去执行了。比如，在ARM系统中，这可以通过修改PC寄存器为合适的地址来实现。M