基于ARM嵌入式系统的通用bootloader的设计与实现.docx

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1、基于ARM嵌入式系统的通用bootloader的设计与实现绪论：随着嵌入式产品中高端微处理器ARM的加入以及软件上操作系统的支持，使得整个嵌入式系统拥有了完整的构架。现在，专门为嵌入式产品开发的各个操作系统层出不穷，WINDOWCE，POCKETPC，Linux等等，各界关注地也特别多。然而，如何进行加载操作系统这个问题却很少有人提出。这就产生了另一个相关主题bootloader。Bootloader本身的功能就是引导与加载内核镜像。如何实现bootloader的基本功能，如何针对基于ARM体系的微处理器来实现bootloader，就成为本

2、课题的一个基本论题。，除了基本功能，bootloader还能有什么更加具体的扩展功能来方便各个系统开发者，都属于本课题讨论的范畴。第一章：ARM简介第一节：ARM微处理器嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30多个系列。嵌入式微处理目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、MIPS、ARM系列等。其中，ARM是一种今年来在嵌入式系统中有着强大影响力的微处理器设计商和制造商，ARM的设计非常适合与小的电源供电系统。特别是，随

3、着近年来，微处理器结构由RISC（精简指令集）全面取代传统的CISC（复杂指令集），因为ARM是著名的RISC的拥护者。采用RISC结构的ARM微处理器一般具有如下特点：1．体积小、低功耗、低成本、高性能；2．支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好地兼容8/16位器件；3．大量使用寄存器，指令执行速度更快；4．大多数数据操作都在寄存器中完成；5．寻址方式灵活简单，执行效率高；6．指令长度固定；下图所示的是ARM构架图。它由32位ALU、若干个32位通用寄存器以及状态寄存器、32×8位乘法器、32×32位桶形移位寄存器、指

4、令译码以及控制逻辑、指令流水线和数据/地址寄存器组成。1．ALU：它有两个操作数锁存器、加法器、逻辑功能、结果以及零检测逻辑构成。2．桶形移位寄存器：ARM采用了32×32位的桶形移位寄存器，这样可以使在左移/右移n位、环移n位和算术右移n位等都可以一次完成。3．高速乘法器：乘法器一般采用“加一移位”的方法来实现乘法。ARM为了提高运算速度，则采用两位乘法的方法，根据乘数的2位来实现“加一移位”运算；ARM高速乘法器采用32×8位的结构，这样，可以降低集成度（其相应芯片面积不到并行乘法器的1/3）。1．浮点部件：浮点部件是作为选件供ARM构

5、架使用。FPA10浮点加速器是作为协处理方式与ARM相连，并通过协处理指令的解释来执行。控制器：ARM的控制器采用的是硬接线的可编程逻辑阵列PLA。A[31:0]控制地址寄存器指令译码及控制增值器寄存器堆ALU总乘法器线线总A桶式B移位器总线ALU数据输出寄存器数据输入寄存器D[31:0]ARM构架图处理器模式可以通过软件控制进行切换，也可以通过外部中断或异常处理过程进行切换。大多数的用户程序运行在用户模式下，这时，应用程序不能够访问一些受操作系统保护的系统资源，应用程序也不能直接进行处理器模式的切换。当需要进行处理器模式的切换时，应用程序

6、可以产生异常处理，在异常处理过程中进行模式的切换。这种体系结构可以使操作系统控制整个系统的资源。ARM处理器共有7种运行模式，如下表所示：第二节：ARM最小系统的描述对于任何一个系统，都希望不是一个虚拟系统，也就是说系统都希望是特定系统，即有具体的CPU，有具体的存储芯片以及有各种具体的外围控制模块。对于本课题来说，最终的bootloader也必须在具体的系统上运行起来。但是，任何一个ARM系统，在没有特定指定的条件下，仍然可以将通用特性（一些通用基本控制模块）描述出来，在此称之为ARM最小系统，见下图：处理器模式处理器模式描述用户模式（U

7、ser，usr）正常程序执行的模式快速中断模式（FIQ，fiq）用于高速数据传输和通道处理普通中断模式（IRQ，irq）用于通常的中断处理监管模式（Supervisor，svc）供操作系统使用的一种保护模式数据访问中止模式（Abort，abt）用于虚拟存储及存储保护未定义指令中止模式（Undefined，und）用于支持通过软件方针硬件的协处理器系统模式（System，sys）用于运行特权级的操作系统任务Memory控制器GPIO控制模块系外统总线桥接围总串口线总线ARMcore中断控制器中断ARM最小系统第二章：Bootloader的概念

8、第一节：感念介绍bootloader就是在操作系统内核运行前运行地一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化必要的硬件设备，创建内核需要的一些信息并将这些信息通过相关机制传递给内