ARM上的Bootloader的具体实现1071098736

 

BootLoader简介:

     当完成用户程序的编译并下载到目标板上运行时，总是要首
先进行存储器的映射，然后通过 ADS（或 SDT）调试环境下载，显然，这个过程对
普通用户来说显得特别烦琐，然而，要在裸板（没有任何程序的系统板）上调试运
行程序，也只能采用这种方法。
  如果能在用户设计的系统板上烧写一段 BootLoader程序，就可以将该过程屏蔽
起来，让用户通过一些简单的操作，就可完成程序的下载、调试等工作。在嵌入式
系统中，BootLoader的作用与 PC 机上的 BIOS 类似，通过 BootlLoader可以完成对
系统板上的主要部件如 CPU、SDRAM、Flash、串行口等进行初始化，也可以下载
文件到系统板、对 Flash 进行擦除与编程。事实上，一个功能完善的 BootLoader 已
经相当于一个微型的操作系统了。
 BootLoader 作为系统复位或上电后首先运行的代码，一般应写入 Flash 存储器
中并从起始物理地址 0x0 开始。BootLoader 根据实现的功能不同，不相同。一个简单的 BootLoader程序可以仅仅完成串行口的初始化，并进行
通信，而功能完善的 BootLoader可以支持比较复杂的命令集，对系统的软硬件资源
进行合理的配置与管理。因此，用户可根据自身的需求实现相应的功能

      涉及具体汇编代码前，有些术语要必须弄懂的

   O:映像文件（image)：指一个可执行文件，在执行的时候被加载到处理器中，它是ＥＬＦ（Executable and Linking Format)格式的。

O:RO :是Read-Only的简写形式。一般存放的代码

O:RW:是Read-Write 的简写形式，一般存放初始化的数据

O:ZI:是zero-Initialized的简写形式。一般是存放初始化数据

O：输入段（Output Section):它包含一系列具有相同RO，RW，ZI属性的输入段

 

对于

一个ARM bootloader系统来说，本质上,bootloader作为引导与加载内核镜像的工具,必须提供以下几个功能，更确切地说，必须做到以下几点：

~1~初始化RAM（必需）：bootloader应该能初始化RAM，因为将来系统要通过它来保存一些Volatile数据，但具体地实现要求依赖与具体的CPU以及硬件系统。~2~初始化串口（可选），bootloader应该要初始化及使能一个串口，通过

~1~       它与控制台联系进行一些debug的工作；甚至与PC通信。

   创建内核参数列表（针对linux操作系统，推荐）。

      启动内核镜像（必需）：根据内核镜像保存的存储介质不同，可以有两种启动方式：FALSH启动以及RAM启动；但是无论是哪种启动方式，下面的系统状态必须得到满足：

 

Bootloader  阶段1的代码实现：

1，定义ARM个模式的栈大小

2，申明各模式的栈

3，将各模式的栈与栈大小结合起来，既为各栈分配栈大小

4，申明一些标号量

5，以某标号标识，一开始处设置异常中断向量表，当冷启动时，直接跳转至对应处启动

6系统正常启动时：1使能各协处理器，2关闭MMU，内部指令/数据cache以及缓冲区，ARM体系bootloader中都无需MMU的功能，所有的地址都直接使用物理地址：cache也都关闭，原因.3 清空TLB，Caches以及写缓冲区，当系统冷启动时所有的保留数据都以无效处理，因此都要清空，况且cache都已经关闭 4 开系统各存储空间域的访问权限；ARM体系中系统的存储空间分为最多的16个域，每个域对应一定的内存区域，该区域具有相同的访问控制属性。MMU中寄存器C3用于控制与域相关属性的配置。（

以上涉及的是相关存储方面通用的处理，接着就要开始具体的硬件初始化的工作了，与

具体的CPU以及具体的存储芯片大小有关。）

 

1． 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的执行全过程中可以不必相应任何中断，中断屏蔽是通过写CPU提供的中断屏蔽寄存器来完成的。

 

 

2． 设置CPU的速度与时钟频率：系统复位后对于CPU的速度与时钟频率都有一个初始的默认值，可以直接使用该值，到内核启动初始化的时候再设置；也可以在此处直接设置。

 

3． SDRAM 的初始化以及使能，这个设置与具体的RAM大小有关，包括正确地设置系统的内存控制器以及各内存库控制寄存器。具体代码稍长，在这里相关代码略去。

 

    相关基本硬件初始化之后，开始设置模式。

1． 为ARM的各个操作模式设置称栈指针：在前面的伪代码中已经为各个操作模式分配相应的栈区，而且ARM各个模式下都有自己通用的栈顶指针SP，现在要做的是在不同模式下将该模式下的SP指向栈顶。每个模式的处理都类似，都是通过设置状态寄存器CPSR（可以参看前面章节的介绍）来完成，并且每个模式都要完成。以IRQ模式为例：

 

到此时，用汇编编写的硬件基本初始化代码完成，对于阶段1来说，剩下的工作就是将镜像2拷贝到SDRAM的指定处，这个工作我们通过一小段C代码来完成，文件名为cstart.c，完成拷贝功能的函数设为cstart。则在汇编末尾可以通过跳转指令进入阶段1的这一小段C代码：

 

 

 

/***************************有关中断向量表**************/

为什么在中断向量表中不直接LDR PC,"异常地址".而是使用一个标号,然有再在后面
使用DCD 定义这个标号
A:因为LDR 指令只能跳到当前PC 4kB 范围内,而B 指令能跳转到32MB 范围,而现在这样
在LDR PC, "xxxx"这条指令不远处用"xxxx"DCD 定义一个字,而这个字里面存放最终异
常服务程序的地址,这样可以实现4GB 全范围跳转

 

如：在PROTEUS 中的芯片组：

   LPC2220的 复位与存储器映射
芯片复位后， MAP=00 ，启动 boot 装载程序， boot 装载程序检测 P0.14 口的状态和用户的异常向量表，判断是进入 ISP 还是启动用户程序，若启动用户程序，则自动设置 MAP=1 或 3 。若用户程序需要更改异常向量表，可以将异常向量表复制到片内 0x40000000 ，然后设置 MAP=2 进行重新映射， 0x40000000 地址上的向量表就可以更改了。
LPC2220 在复位 运行的第一段程序并不是用户程序，而是 boot block( 引导模块 ) ，是设计厂家在 ARM 内部固化的一段代码，用户无法修改或删除，其主要功能为：
判断运行那个存储器上的程序。
检查用户代码是否有效。（主要检测异常向量表的机器码值之和是否为 0 ）
判断芯片是否被加密。
芯片的在应用编程（ IAP ）和在系统编程（ ISP ）
boot block( 包括 bootload 和 64 字节异常向量表 ) 。

对于LPC2220，复位后（也即是运行完Boot Block后），用户所能见到的存储空间，及其各存储空间上的内容。
0xF0000000----0xFFFFFFFF：AHB外设；
0xE0000000----0xEFFFFFFF：VPB外设；
0x80000000----0xDFFFFFFF；保留给外部存储器；
0x7FFFDFFF---0x7FFFE000 ； BOOT BLOCK ；
0x40004000----0x4000FFFF；64KB片内RAM；
0x00000000—0x0000003f，ARM异常向量位置；
      

map.jpg (33.06 KB)

2008-12-10 11:26

存储器映射控制
MAP=00 ：由任何硬件复位激活， boot block 中断向量映射到存储器的底部以允许处理异常。
MAP=01 ：中断向量表没有被重新映射，它位于存储器的底部。
MAP=10 ：由用户程序激活，中断向量表重新映射到静态 RAM 的底部。
MAP=11 ：用户外部模式，由 BOOT[1:0] 来控制存储器的引导方式，中断向量表重新映射到外部存储器的底部。
例如：每当产生一个软件中断， ARM 内核就从 0x00000008 处取出 32 位数据，当 MAP=0x11 时，这就意味着从 0x00000008 处取值既是对 0x80000008 处取值。
存储器重新映射控制用于改变从地址 0x00000000 开始的中断向量表的映射，使就使得运行在不同存储器空间中的代码对中断的控制。
      

 

拿LPC说
bootblock  出厂时固化的Loader 主要实现ISP功能！
bootloader   自己写的程序
再到main()
上电后bootblock  检测是否有ISP的相关引脚被设定，如果设定进入ISP模式，如果没有设定 运行用户程序（一般来说时用户的BootLoader），然后启动内核或者其他的。
关于异常向量表，配置好你自己的就可以了，不用管  bootblock   上的！
    

 

 

1 设置异常中断向量表

ARM处理器的中断向量表从地址0x0处开始存放，连续有8×4字节的空间。在ARM存储空间里每个字32位，占4个字节。可以通过图1来描述中断向量表的地址分配。

每当有中断或者异常发生时，ARM处理器便强制把PC指针指向向量表中对应中断类型的地址值。为了加快中断响应，我们在Flash的0x0地址存放能跳转到0x0c000008地址处中断向量的跳转指令，即在RAM中建立一个二级中断向量表，起始地址为0x0c000008，除复位外，其它异常入口地址由Flash跳转得到，如表1所示：