基于S3C44B0X的Bootloader设计与实现

1.引言

Bootloader(引[1]导加载) 程序[1]是系统加电后首先运行的一段程序代码，用来初始化硬件环境、改变处理器运行模式和重组中断向量，建立内存空间的映射图(有的CPU没有内存映射功能如 S3C44B0X )，将系统的软、硬件环境带到一个由用户定制的特定状态，然后加载操作系统内核。对于不使用操作系统的嵌入式系统而言，应用程序的运行同样也需要依赖一个准备好的软、硬件环境，因此从这个意义上来讲，BootLoader对于嵌入式系统是必需的。

Bootloader是依赖于目标硬件实现的，主要包括以下两方面[2]：

（1）每种嵌入式微处理器体系结构都有不同的Bootloader.应用比较广泛的Bootloader有VIVI、U-Boot、Blob、RedBoot 等。有些BootLoader也可以支持多种体系结构的嵌入式微处理器。如U-Boot同时支持ARM和MIPS体系结构。

（2）Bootloader依赖于具体的嵌入式板级硬件设备的配置。比如板卡的硬件地址配置、微处理器的类型和其他外设的类型等。也就是说，即使是基于相同嵌入式微处理器构建的不同嵌入式目标板，要想让运行在一个板子上的Bootloader程序同样运行在另一个板子上，仍需要修改Bootloader的源程序。

作者在参与中国民用航空总局科技基金项目“机场噪声自动监测与数据传输的研究与实

现”的研发中，设计了一款基于S3C44B0X的ARM7核心板，并实现了其引导加载程序Bootloader.

2.ARM7核心板介绍

2.1ARM7核心板的构成

作者设计的ARM7 核心板主要由CPU、电源管理、存储单元、JTAG接口和串口五部分组成。图1是其结构图。CPU这里用的是Samsung的S3C44BOX微处理器[3], 它是由Samsung Electronics Co.,Ltd为手持设备设计的低功耗、高度集成的基于ARM7TDMI核的微处理器，采用精简指令系统（RISC）和三级流水线结构，且具有丰富的内置部件。电源管理部分采用开关电源将AC220V转换成DC5V，然后采用线性稳压电源LM1085将DC5V分别转换成3.3V 的I/O口电源电压和2.5V 的S3C44B0X内核逻辑电压。存储单元由Flash存储器和SDRAM存储器构成。Flash存储器用的是SST公司的 39VF3201 CMOS FLASH，容量为4MB，16位数据宽度，可以重复擦写。Flash存储器主要用来存放已经调试好的应用程序、嵌入式操作系统和需要保存的用户数据。 SDRAM存储器选用的是SAMSUNG公司的8MB K4S641632H，16位数据宽度，工作电压3.3V。由于SDRAM执行速度比较快，其通常作为系统运行时的主要区域，用来存放系统及用户数据、堆栈等。另外，除了可用于下载和通信的串口，还包括用于调试的JTAG接口。

2.2S3C44B0X的存储器映射

系统复位后，S3C44B0X的存储空间映射图[3]如图2所示。ARM处理器S3C44B0X的系统存储空间分为8段（Bank0-Bank7）,因此可以配置8个存储体，其中每个存储体的大小为32MB，总共可达256MB的存储空间。可以自由配置访问存储体的数据总线宽度（8位/16位/32位），在本核心板中，FLASH和SDRAM存储器的总线宽度设置为16位，在8个可配置存储体中，Bank0-Bank5可支持ROM、SRAM类型的存储器；Bank6和Bank7可支持ROM、SRAM以及FP/EDO/SDRAM等其他类型的存储器，此处Bank0接 FLASH存储器39VF3201（采用片选信号nGCS0）,地址范围为：0x00000000-0x003fffff.Bank6接8MB的 SDRAM存储芯片K4S641632H（采用片选信号nGCS6）,地址范围为0x00000000-0x007fffff。其他存储空间（Bank2、Bank3、Bank4、Bank5、Bank7）暂时保留。

3.Bootloader 启动流程设计

系统加电或复位后，CPU通常都从CPU制造商预先安排的地址上取指令。如基于ARM7TDMI

内核的CPU在复位时都从地址0x00000000处取它的第一条指令。而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）被安排在这个起始地址上。因此在系统加电或复位后，处理器将首先执行存放在起始地址处的程序。通过集成开发环境IDE可以将 BootLoader定位在起始地址开始的存储空间内。所以，BootLoader是系统加电后，操作系统内核或用户应用程序运行之前，首先必须运行的一段代码。对于ARM S3C44B0X微处理器，BootLoader是从0x00000000地址开始存放的，此地址采用了可引导的固态存储设备FLASH。

从操作系统的角度看，BootLoader的总目标就是正确的调用内核来执行。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stage2两部分[4]，依赖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通常用C语言来实现，这样可以实现复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。

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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

4）  设置堆栈

5）  跳转到stage2的C程序入口点

BootLoader的stage2通常包括以下步骤（以执行的先后顺序）：

1）  初始化本阶段要使用到的硬件设备

2）  检测系统内存映射

3）  将内核映像和根文件系统映像从Flash读到RAM

4）  为内核设置启动参数

5）  调用内核

4.Bootloader的代码实现

Bootloader的Stage1初始化流程图如图3所示. Stage1部分主要内容及其代码实现：

/*中断向量表用于处理异常情况，当发生异常情况时，首先要保存当前程序的返回地址和CPSR寄存器的值，然后进入到相应的异常向量地址。一般来说，在异常向量地址处放置无条件跳转指令，使程序进入相应的异常处理过程。*/
_ENTRY
B   ResetHandler        ；reset vector
    B   UndefinedHandler    ；Undefined instruction
B   SWIHandler          ；SWI
    B   PrefetchHandler     ；Prefetch abort
    B   AbortHandler        ；Data abort
    B．                     ；Address exception
    B   IRQHandler          ；IRQ
    B   FIQHandler          ；FIQ
    ……

/*复位入口，切换到超级模式并禁止中断。在整个Boot Loader的初始化过程中我们都不必响应中断，因此首先禁止系统的中断。*/
MRS     a1,CPSR            
    BIC     a1,a1,#MODE_MASK   
    ORR     a1,a1,#SUP_MODE    
    ORR     a1,a1,#LOCKOUT      ；关闭IRQ、FIQ中断
    MSR     CPSR_cxsf,a1
    LDR     r0,=INTCON          ；设置中断模式，非向量中断模式
   LDR     r1,=0x07            ；IRQ、FIQ中断禁止
   STR     r1,[r0]
    LDR     r0,=INTMSK          ；关闭所有中断
   LDR     r1,=0x07ffffff
   STR     r1,[r0]
LDR     r0,=SYSCFG          ；使能回写buffer和Cache
LDR     r1,=0xE
    STR     r1,[r0]
……
/*当必要的硬件初始化设置完毕后，接下来为核心代码贮备RAM空间，包括RO、RW、ZI这3个段设置相应的内存映射向量，Bootloader先将ZI段请零，然后将RO段复制到RW段中。由于在我们采用的S3C44B0X微处理器里对于FLASH和RAM地址空间是使用的统一编址的，因此我们可以直接使用一个简单循环来完成拷贝。*/
move_data :                                                                  
LDR     a1,=Image_RW_Base       ；RW段运行时的起始地址
LDR     a2,=Image_RO_Limit      ；RO段运行时的存储区域界限
LDR     a3,=Image_ZI_Base       ；ZI段运行时的起始地址                                                                        
CMP     a1,a3                                                          
BEQ     goto_main               ；跳转到C入口函数                                                                                                      
move_loop :                             ；将RO段复制到RW段                                   
LDR     a4,[a2],#4                                                     
STR     a4,[a1],#4 
CMP     a1,a3
BNE     move_loop

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在Bootloader stage1部分的最后是堆栈的设置，由于ARM有5种异常模式，每一种模式的堆栈指针寄存器（SP）都是独立的，因此，对程序中需要用到的每一种模式都要给SP定义一个堆栈地址。以中止模式SP堆栈地址的定义为例：
        ORR     r1,r0,#ABORTMODE|NOINT
        MSR     cpsr_cxsf,r1
        LDR     sp,=AbortStack

至此，汇编语言程序段的任务基本完成，执行命令BL  Main 转到由C语言编写的核心程序，操作系统的内核就可通过该C程序加载到RAM，获得对系统的控制权。

Bootloader的Stage2部分主要用于导入操作系统内核，一般通过串口建立连接，以获取命令、打印与用户的交流信息等,这里限于篇幅不再加以详述。

5.结束语

作为嵌入式系统软件的最底层，Bootloader是系统上电后启动运行的第一个程序，类似于PC机上的BIOS，主要负责整个硬件系统的初始化和软件系统启动的准备工作。Bootloader是嵌入式系统开发的重点和难点，也是系统运行的一个基本前提条件。设计和实现一个好的Bootloader，可以大大增强系统的稳定性，提高系统的实时性。

本论文创新观点是：设计了具有较高性价比的ARM7核心板，结合实际应用详细分析了S3C44B0X的存储空间映射，设计实现的基于S3C44B0X的 Bootloader具有典型代表性、良好的健壮性和可移植性，只须有针对性的稍加修改，就可应用到各种类似的嵌入式平台中，对进一步开发复杂系统的 Bootloader具有很好的借鉴和启发作用。

本项目经济效益（30万元），包括Internet接入设备研制、GPRS网络接入设备研制和GPRS-Internet网关软件研制三部分。 Internet接入设备由数据前端采集盒和嵌入式ARM系统构成，嵌入式ARM系统通过串口接收单片机发来的数据并将这些数据利用TCP/IP协议通过网线发送到噪声数据中心。

参考文献：
[1]白伟平等.基于ARM的嵌入式Bootloader浅析[J].微计算机信息,2006,4-2:99-100
[2]夏靖波等.嵌入式系统原理与开发[M].西安电子科技大学出版社.2006
[3]Samsung Limited. S3C44BOX RISC Microprocessor Datasheet[EB/OL]. 2001
[4]孙天泽等.嵌入式设计与Linux驱动开发指南-基于ARM9处理器[M].电子工业出版社.2006