嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是一個層次性結(jié)構(gòu)，從底層到應(yīng)用分別是：硬件、啟動引導(dǎo)程序、嵌入式操作系統(tǒng)(Linux)、文件系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)上電或硬件復(fù)位后，CPU執(zhí)行的第一段代碼就是啟動引導(dǎo)程序，啟動引導(dǎo)程序在嵌入式Linux系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)的過程中起著重要的作用。

1、Bootloader的工作原理與功能

1.1 工作原理

Bootloader是系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的代碼，BootLoader完成內(nèi)核加載啟動。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程，常涉及底層BOOT LOADER移植，操作系統(tǒng)引導(dǎo)、應(yīng)用程序運行都與Bootloader有關(guān)，所以說Bootloader移植是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)。不同CPU體系結(jié)構(gòu)對應(yīng)不同Bootloader,另外Bootloader的實現(xiàn)也依賴于具體板級硬件。

嵌入式開發(fā)首先根據(jù)目標(biāo)板特性開發(fā)Bootloader，依次完成下面任務(wù):初始化底層硬件(CPU、存儲器)；設(shè)置堆棧、Cache；代碼重定向；加載內(nèi)核、文件系統(tǒng)映像；設(shè)置內(nèi)核啟動參數(shù)；啟動內(nèi)核，控制權(quán)轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)。

1.2 Bootloader主要功能
    設(shè)計一個Bootloader，須具備以下基本功能：
l    正確初始化硬件，使系統(tǒng)平臺正常啟動。
l    提供映像文件加載接口，通過串口、網(wǎng)口下載映像到Flash，為內(nèi)核啟動作準(zhǔn)備。
l    加載Linux內(nèi)核到RAM中，啟動內(nèi)核和文件系統(tǒng)，并進(jìn)一步啟動應(yīng)用程序。

而完備的Bootloader，還可以擴(kuò)展測試功能：
l    開發(fā)板設(shè)計開發(fā)調(diào)試過程，Bootloader通過交互界面與系統(tǒng)平臺交互，測試平臺器件。
l    開發(fā)階段，可以用于調(diào)試內(nèi)核。系統(tǒng)內(nèi)核能正常啟動是Bootloader的最終目標(biāo)。
l    提供串口交互的命令控制臺。支持配置功能:設(shè)置IP，MAC，系統(tǒng)時間等。

Bootloader有兩種操作模式:啟動加載模式和下載模式；啟動加載模式是開發(fā)板發(fā)布后提供的穩(wěn)定工作模式；下載模式一般是在開發(fā)階段的工作模式，提供串口交互界面。

2、PXA272硬件平臺

Pxa272是最新推出的32位XScale RISC核心微處理器，兼容ARMv5TE指令；工作頻率可達(dá)520MHz；采用7級超流水線結(jié)構(gòu)；支持Intel Wireless MMXTM指令集增強(qiáng)多媒體處理功能；動態(tài)電源管理實現(xiàn)低功耗；提供32KB D/I Cache；集成64M Flash和265K SRAM；

硬件平臺是基于Pxa272微處理器的自研發(fā)的開發(fā)板Uranium V0.90。硬件結(jié)構(gòu)中的主要器件：AC97、SDRAM、TFT LCD、觸摸屏、網(wǎng)絡(luò)LAN、PCMCIA插槽等外設(shè)。

3、Bootloader映像文件結(jié)構(gòu)設(shè)計

Bootloader結(jié)構(gòu)由鏈接腳本決定，鏈接腳本用于控制目標(biāo)文件格式。決定如何將各目標(biāo)文件合并起來并安排數(shù)據(jù)和符號的位置。通常在編譯的最后一步完成。腳本主要目的描述如何將輸入文件的各段映射到輸出文件中，控制目標(biāo)文件的布局。腳本文件Uranium.lds的結(jié)構(gòu)：
OUTPUT_ARCH(arm)//指定ARM目標(biāo)板體系結(jié)構(gòu)
ENTRY(_start)        //_start為程序入口
SECTIONS {   . = 0x00000000;
__boot_start = .;    //匯編中指定的boot起址
.start       ALIGN(4) : { *(.text.start)} //文件text段
.text ALIGN(4) : { *(.text) }
.rodata ALIGN(4) : {*(.rodata)}    //只讀data段
.data       ALIGN(4) : {*(.data) }              //可讀寫data段
.got ALIGN(4) : {*(.got) }           //全局偏移量表
__boot_end = .;                           //bootloader終址
.bss ALIGN(16) :{*(.bss) }         //未初始化data段
……}

ARM體系結(jié)構(gòu)微處理器在復(fù)位后PC指向0x00000000，PXA272片載Flash連接在nCS0上，將Flash映射到0x00000000作為啟動存儲器。

4、Bootloader的實現(xiàn)與擴(kuò)展

啟動引導(dǎo)程序分成硬件初始化(Boot)和內(nèi)核加載兩個部分(Loader)；Boot部分與處理器體系結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，通常用匯編語言實現(xiàn)；Loader部分在完成硬件初始化后，將加載映像文件并啟動內(nèi)核，這部分一般用C語言實現(xiàn)。

4.1硬件初始化(Boot)

可執(zhí)行Boot映像必須且只有一個全局入口。在匯編文件Start.S中指定入口：
_start : b start
Bootloader由多個文件組成。首先是匯編語言實現(xiàn)的Start.S，完成底層硬件初始化：
start: bl   define_gpio     //設(shè)置gpio
       bl    enable_cpu            //設(shè)置CPU時鐘
       bl    setup_memory       //初始化靜動態(tài)存儲器
       bl    relocate_boot  //復(fù)制boot代碼
       bl    setup_stack           //建立堆棧
       bl    clear_bss              //清除bss段
       ldr   pc, =main              //跳轉(zhuǎn)到C代碼

切換CPU工作模式、屏蔽中斷。啟動引導(dǎo)程序不需要處理中斷，所以要屏蔽所有中斷。

設(shè)置CPU：PXA272提供動態(tài)時鐘和電源管理，可以根據(jù)應(yīng)用負(fù)荷，選擇CPU的工作模式；PXA272電源管理提供四種工作模式：Turbo模式、運行模式、空閑模式、睡眠模式。

建立堆棧和清除數(shù)據(jù)區(qū):堆棧、DATA、BSS段初始化是運行C代碼前必要條件。C語言函數(shù)編譯必須提供堆棧存放臨時變量、調(diào)用位置、寄存器信息。除堆棧外，需DATA段和BSS段存放C代碼中有初始值的全局或靜態(tài)變量以及沒有指定初始值的全局變量。

系統(tǒng)存儲器初始化：通過配置功能寄存器來實現(xiàn)；在Pxa272上電后，SDRAM處于睡眠無時鐘狀態(tài)，初始化必須完成SDRAM狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)化過程，相關(guān)的寄存器：MDREFR、MDCNFG等。SDRAM的狀態(tài)轉(zhuǎn)換通過配置存儲器的相應(yīng)位，產(chǎn)生對應(yīng)的命令實現(xiàn)狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換[1]。

4.2內(nèi)核加載(Loader)

為加載內(nèi)核，需初始化必要設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)接口、串行接口、Flash等；PXA272支持BTUART（藍(lán)牙）、FFUART(全功能串口)、 STUART(標(biāo)準(zhǔn)串口)?？梢酝ㄟ^串口實現(xiàn)與終端用戶的交互，終端打印信息是非常重要的調(diào)試手段。片載的Flash遵循CFI規(guī)范(Common Flash Interface)。

內(nèi)核加載前規(guī)劃好內(nèi)存空間：設(shè)置內(nèi)存大小和起始地址，BootLoader、內(nèi)核、ramdisk、root鏡像在flash和SDRAM中的存放區(qū)域、大小。在這里確定好下載各個鏡像文件存放的地址以及鏡像加載后釋放的位置。內(nèi)存地址的安排關(guān)系到操作系統(tǒng)能否正常的啟動、運行。
Parts[i].name = "XXXX"；   //鏡像名(Boot/Kernal/Ramdisk)
Parts[i].sramb = XXXX_SRAM_BASE;//在flash中的基地址
Parts[i].srams = XXXX_MAX_SIZE;  //在flash中鏡像大小
Parts[i].dramb = XXXX_DRAM_BASE; //在DRAM中的基地址
Parts[i].drams = 0;
Parts[i].maxs = XXXX_MAX_SIZE;  //鏡像大小

這里基本確定flash和DRAM的地址映射。

加載內(nèi)核、文件系統(tǒng)映像，設(shè)置啟動參數(shù)：讀取映像大小和格式，將映像從Flash定向到RAM。定向后，就可啟動 Linux 內(nèi)核。啟動內(nèi)核前，要作些準(zhǔn)備工作：設(shè)置啟動參數(shù)。Linux 2.4.x 以后的內(nèi)核以標(biāo)記列表(tagged list)形式傳遞啟動參數(shù)。由Boot Loader設(shè)置常見啟動參數(shù)：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD 等。啟動參數(shù)列表以標(biāo)記 ATAG_CORE 開始，以標(biāo)記 ATAG_NONE 結(jié)束。
……
tags = (struct tag *)BOOT_PARAMS;
tags->hdr.tag = ATAG_CORE; //以CORE開始
tags->hdr.size = tag_size(tag_core);
……
tags = tag_next(tags);    
tags->hdr.tag = ATAG_NONE; //以NONE結(jié)束
tags->hdr.size = 0;
……

Boot Loader 調(diào)用 Linux 內(nèi)核的方法是直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的第一條指令處：
theKernel = (void *)mp->dramb;//Linux內(nèi)核基址
theKernel (0, ARCH_URANIUM, 0xa0008000);

至此，Bootloader完成該作的工作，跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核入口點，內(nèi)核接管控制權(quán)，開始啟動Linux。

4.3 啟動程序的擴(kuò)展

在開發(fā)板的硬件測試階段，擴(kuò)展命令接口，以協(xié)助硬件測試工作。

1．內(nèi)存測試(MEM_TEST)[5]

測試存儲器有3個部分：數(shù)據(jù)總線測試、地址總線測試和器件測試；優(yōu)化通用的測試程序，能測試出錯誤，還對錯誤進(jìn)行分析診斷，給出錯誤原因，并定位錯誤。

數(shù)據(jù)線測試(走1法)：選擇有代表性的寫入值(0x01(單位),0x03(兩個相鄰位), 0x07(三個相連位),0x0F(四個相連位))。分別將值寫入內(nèi)存地址，寫入后立刻讀出與寫入前的值比較，相等則將寫入值邏輯左移一位作為下一次寫入值。如此。直到所有值被測試完。如有不等，則報錯將寫入前后的值顯示出來。

地址線測試：取測試值0xaaaaaaaa，選擇測試地址，分別寫入測試值，比較寫入前后值。然后取其反值為測試值寫入測試地址。改換測試地址，按從低向高的順序依次寫入1的遞增值，比較寫入前后的值；再按上一步的地址順序?qū)懭?遞增值反值，比較寫入前后值；在每步寫入前后值的比較中如果不一致，就輸出出錯的地址和寫入前后的值。

器件測試：用來測試器件完成性，確定器件每一位正確。選擇一組隨地址變化的值寫入內(nèi)存，再讀出比較。然后取這些值的反寫入內(nèi)存驗證。

如測試內(nèi)存代碼放在SDRAM上，測試時會修改內(nèi)存，這樣會造成系統(tǒng)崩潰。所以測試內(nèi)存時，把代碼放在PXA272片載SRAM上。

2．液晶屏測試(LCD_TEST)：啟動引導(dǎo)程序沒用到LCD，為確定目標(biāo)板的LCD正常工作，提供LCD_TEST命令測試LCD。點亮LCD前，初始化 LCD控制器寄存器，劃出一塊內(nèi)存作為LCD顯示緩沖區(qū)。通過參數(shù)來控制寫入顯示緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)以顯示不同圖形。

3．觸摸屏測試(TS_TEST)：ADS7843觸摸屏芯片具備12位A/D轉(zhuǎn)換和低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)，通過控制GPIO模擬ADS7843傳輸時序，將控制字送入ADS7843，再串行讀取坐標(biāo)值。最后，將讀取的x和y坐標(biāo)送串口顯示。

除上述器件測試命令，還有SPI、RTC等命令。擴(kuò)展命令對于處于硬件調(diào)試階段的開發(fā)板非常重要，可以方便調(diào)試工作。同時也能體現(xiàn)Bootloader在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中的地位。

結(jié)束語

本文總結(jié)了設(shè)計和實現(xiàn)基于PXA272處理器開發(fā)板的Bootloader工作，對其功能進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展了一些硬件測試接口以方便硬件測試。在開發(fā)過程中，體會到要編寫開發(fā)板的Bootloader，需要詳細(xì)了解目標(biāo)板平臺結(jié)構(gòu)、器件工作原理以及微處理器的體系結(jié)構(gòu)，先從實現(xiàn)基本功能入手，再不斷擴(kuò)展。

本文作者創(chuàng)新點:對基于Pxa272的嵌入式系統(tǒng)的Bootloader的實現(xiàn)作了詳細(xì)分析；對關(guān)鍵步驟SDRAM初始化工作詳細(xì)說明；并將Bootloader的功能擴(kuò)展應(yīng)用于硬件平臺的測試工作，給硬件工程師調(diào)試硬件提供一個良好的軟件平臺。

參考文獻(xiàn)
[1]Intel PXA27X Processor Family Developer’s Manual[Z].Intel. October 2004
[2]Common Flash Memory Interface Specification Release2.0[Z].AMD. Dec 2001
[3]劉軍芳,李眾立.基于s3c2410開發(fā)板的Boot Loader的啟動分析[J].微計算機(jī)信息,2006,6-2:201-203
[4]杜春雷.ARM 體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，
[5]馬學(xué)文.嵌入式系統(tǒng)中Bootloader的設(shè)計和實現(xiàn)[J].計算機(jī)工程,2005,31-7:96-97
[6]張大波.嵌入式系統(tǒng)原理、設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2005.01