Motorola微處理器的bootloader分析與應(yīng)用

    關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) ColdFire bootloader dBUG

引 言

??bootloader是用來(lái)完成系統(tǒng)啟動(dòng)和系統(tǒng)軟件加載工作的程序。它是底層硬件和上層應(yīng)用軟件之間的一個(gè)中間件軟件，完成處理器和周邊電路正常運(yùn)行所要的初始化工作；可以屏蔽底層硬件的差異，使上層應(yīng)用軟件的編寫(xiě)和移植更加方便；不僅具有類似PC機(jī)上常用的BIOS(Basic Input Output System，基本輸入、輸出系統(tǒng)監(jiān)控程序)功能，而且還可具有一定的調(diào)試功能。目前，在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中有多種bootloader可供選擇，其中Motorola公司的名為dBUG的bootloader比較優(yōu)秀。它可以移植在Motorola MC68000、ColdFire和PowerPC系列所有微處理器上面，有強(qiáng)大的調(diào)試功能，支持單步、下載、網(wǎng)絡(luò)更新等；其良好的軟件架構(gòu)使用戶能很方便地修改其代碼，擴(kuò)展新的功能。本文以作者用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的coldfire5307C3開(kāi)發(fā)板為例，簡(jiǎn)析其上的dBUG bootloader的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制，并給出實(shí)際修改范例。

1 bootloader源碼結(jié)構(gòu)

(1)bootloader的文件組織

　　dBUG bootloader源代碼可以從Motorola公司網(wǎng)站獲得。它是一個(gè)范例程序，通過(guò)修改相應(yīng)的配置文件和處理器相關(guān)文件，可以很方便地移植到不同的處理器系統(tǒng)上。其源碼由兩個(gè)部分組成，一部分是lib項(xiàng)目，另外一部分是每種Motorola微處理器單獨(dú)的處理器項(xiàng)目。比如，ColdFire 5307就使用MCF5307C3項(xiàng)目和lib項(xiàng)目一起來(lái)生成最終的dBUG代碼。其中l(wèi)ib項(xiàng)目中是與處理器無(wú)關(guān)的一些命令或者函數(shù)，而每個(gè)單獨(dú)的處理器項(xiàng)目是和每種不同的處理器息息相關(guān)的。在編譯的時(shí)候，首先需要將lib項(xiàng)目編譯生成標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)(也就是將一些通用命令和函數(shù)先封裝起來(lái))。然后，編譯MCF5307C3項(xiàng)目，就會(huì)將剛才編譯的lib項(xiàng)目和MCF5307C3項(xiàng)目結(jié)合在一起生成最終代碼。

　　整個(gè)dBUG bootloader代碼的架構(gòu)比較復(fù)雜，其源碼按功能可分為3個(gè)模塊[1]：User Interface Component、CPU-specific Component、Board-specific Component。用戶進(jìn)入dBUG的目錄以后，會(huì)看到三個(gè)子目錄，如圖1所示[1，2]。

① 第一個(gè)目錄是bin目錄，在該目錄下面主要是一個(gè)簡(jiǎn)單的TFTP Server軟件。TFTP是簡(jiǎn)單的FTP(文件傳輸協(xié)議)。它是基于UDP協(xié)議的，主要用來(lái)下載程序目標(biāo)代碼。

② 第二個(gè)目錄是prog目錄，下面主要是lib項(xiàng)目和MCF5307C3項(xiàng)目的項(xiàng)目組織文件和一部分源代碼。在prog目錄下面的libdbug目錄下，有l(wèi)ib項(xiàng)目的項(xiàng)目管理文件libdbug.mcp，使用CodeWarrior可以打開(kāi)該項(xiàng)目文件和編譯等。prog目錄下面的M5307C3目錄下是ColdFire 5307系統(tǒng)的項(xiàng)目文件，而該目錄下的obj目錄下是生成的dBUG目標(biāo)代碼。src目錄下是5307項(xiàng)目的項(xiàng)目管理文件。用戶可以使用CodeWarrior，打開(kāi)M5307C3目錄下的/src/dbug/mwerks/m5307c3.mcp項(xiàng)目管理文件來(lái)編譯代碼。

③ 第三個(gè)目錄是src目錄，是dBUG的主要源代碼。

　　綜上所述，用戶只要打開(kāi)m5307c3.mcp和libdbug.mcp兩個(gè)項(xiàng)目文件，即可以看到dBUG所有的源代碼。

(2)與處理器和外圍硬件配置相關(guān)的文件

① 入口文件：vector.s。

存有處理器復(fù)位初始入口地址、跳轉(zhuǎn)指令及中斷矢量表。

② 初始化匯編語(yǔ)言文件：mcfxxxx_lo.s。

功能為預(yù)初始化處理器、調(diào)用初始化函數(shù)及跳轉(zhuǎn)到main主函數(shù)。其中xxxx表示某特定的處理器型號(hào)，如5307。

③ 初始化C語(yǔ)言文件：Sysinit.c。

內(nèi)含多個(gè)初始化函數(shù)，功能為初始化處理器及各底層硬件。

④ 系統(tǒng)配置文件：Config.h和Board.h 。

Config.h

設(shè)定板上處理器類型和其它模塊功能。

Board.h

設(shè)定板上各參數(shù)信息，如片外Flash和SDRAM大小、類型、數(shù)據(jù)寬度和地址范圍、劃分板上內(nèi)存空間范圍、系統(tǒng)時(shí)鐘大小、系統(tǒng)總線速率以及一些其它要用到的系統(tǒng)常量。

⑤ 連接配置文件：Flash.lcf。

設(shè)定連接時(shí)各函數(shù)空間地址及內(nèi)存分配。

⑥ 預(yù)包含頭文件：mxxxx_mwerks.h和mwerks.h。

兩函數(shù)被所有的C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言函數(shù)包含，它們?cè)O(shè)定CodeWarrior 預(yù)處理器所用到的常量和編譯器編譯選項(xiàng)。

2 bootloader運(yùn)行流程簡(jiǎn)介

　　bootloader啟動(dòng)流程如圖2所示。

　　系統(tǒng)上電復(fù)位后，跳到Boot ROM的最低地址處。Boot ROM的開(kāi)始空間FFE00000~FFE00400為vector.s中的中斷矢量表。將表中第一個(gè)32位字傳給5307的SP，將第二個(gè)32位字傳給PC，即完成復(fù)位中斷跳轉(zhuǎn)。

　　該復(fù)位中斷跳轉(zhuǎn)到vector.s中的start處。此處僅初始化sr，然后跳轉(zhuǎn)到mcf5307_lo.s中的asm_startmeup。該段代碼首先進(jìn)行部分初始化和真正初始化前的準(zhǔn)備工作：禁止Cache、禁止中斷和地址轉(zhuǎn)換、初始化用戶指定的內(nèi)部模塊(MBAR)和內(nèi)部SRAM(RAMBAR)起始地址。然后，將SP指向內(nèi)部SRAM空間，即當(dāng)調(diào)用真正的初始化程序時(shí)用內(nèi)部SRAM的一段地址空間作為臨時(shí)堆棧。接下來(lái)，調(diào)用sysinit.c文件中的外圍電路和系統(tǒng)配置的初始化程序mcf5307_init()。

　　mcf5307_init()函數(shù)順序調(diào)用各個(gè)功能的初始化子函數(shù)，初始化系統(tǒng)集成模塊、并行通用輸出輸入口、串口、I2C控制器、DMA控制器、片選寄存器、SDRAM控制器。當(dāng)運(yùn)行完mcf5307_init()后，流程回到asm_startmeup中。此時(shí)，外圍電路和內(nèi)部模塊已按用戶要求進(jìn)行了正確的配置，系統(tǒng)的初始化已基本完成。于是，將堆棧指針SP指向用戶要求的堆?？臻g，該堆棧為該板上的外部SDRAM空間。最后，跳轉(zhuǎn)至main函數(shù)。

　　在main中，首先將系統(tǒng)的矢量表從Flash空間拷貝到用戶指定的外部SDRAM中。然后，將Flash中的data段初值拷貝到外部SDRAM指定的data空間中，根據(jù)配置將外部SDRAM中的bss段清0，之后進(jìn)行一些系統(tǒng)全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、參數(shù)表等的初始化。最后，調(diào)用mainloop開(kāi)始人機(jī)交互循環(huán)：不斷接收用戶的命令、根據(jù)命令查表調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)函數(shù)、在界面上打印出相應(yīng)的執(zhí)行信息。

3 bootloader用戶應(yīng)用

    (1)bootloader的系統(tǒng)移植

　　由于Motorola的dBUG bootloader為一標(biāo)準(zhǔn)的范例程序，要將其移植到具體的嵌入式系統(tǒng)中，還需要根據(jù)系統(tǒng)的硬件配置，修改其部分配置文件和底層接口文件。本文以用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的ColdFire5307C3開(kāi)發(fā)板為例，介紹在其上的dBUG移植過(guò)程。

①ColdFire5307C3開(kāi)發(fā)板硬件情況：

ColdFire5307 32位處理器，16MB (32位數(shù)據(jù)總線)SDRAM，2MB (16位數(shù)據(jù)總線)Flash ROM，2 UART，10Mbps (16位數(shù)據(jù)總線)以太網(wǎng)接口。

②修改bootloader的處理器和配置相關(guān)文件：

a. 根據(jù)5307處理器手冊(cè)及用戶需要，修改vector.s中的中斷矢量表。

b. 根據(jù)5307處理器手冊(cè)編寫(xiě)mcf5307_lo.s文件。

c. 根據(jù)板上的硬件配置修改sysinit.c文件，編寫(xiě)相應(yīng)的硬件初始化函數(shù)。

d. 根據(jù)系統(tǒng)配置修改config.h和board.h文件。

e. 根據(jù)需要修改mxxxx_mwerks.h和mwerks.h，設(shè)定某些編譯選項(xiàng)。

f. 根據(jù)需要修改連接配置文件Flash.lcf，設(shè)定連接時(shí)目標(biāo)代碼的地址分配。

g. 編寫(xiě)相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)，如該板上用到的MBM29LV 160BE70 Flash芯片的驅(qū)動(dòng)程序文件am29xxxx.c和am29 xxxx.h、該板上用到的網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動(dòng)程序文件Ns8390.c以及5307的串口驅(qū)動(dòng)函數(shù)等。

(2)bootloader命令簡(jiǎn)介[2]

　　dBUG提供了豐富的調(diào)試命令：

① 程序流程控制命令reset(系統(tǒng)重啟)、go、exe(用戶程序執(zhí)行)、br(斷點(diǎn)設(shè)置)、step(單步)、trace(單步跟入)、gt(運(yùn)行到)；

② 內(nèi)存和寄存器操作命令md、mm(內(nèi)存查看和修改)、rd、rm(寄存器查看和修改)、bm(內(nèi)處塊移動(dòng))、bf(內(nèi)存塊數(shù)據(jù)填充)、bc(內(nèi)存塊比較)、bs(內(nèi)存塊查找)；

③ 指令和數(shù)據(jù)操作命令dc(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換)、dis(反匯編)、asm (匯編指令插入)、sym(符號(hào)表管理)；

④ 程序下載命令dl(通過(guò)串口下載)、dn(通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載)。

(3)bootloader用戶功能擴(kuò)展

　　除了dBUG bootloader本身提供給用戶的命令外，用戶還希望根據(jù)不同的情況定制自己的命令。如Linux加載、μC/OS加載、kermit下載等。一般自己添加的命令都會(huì)放在一個(gè)單獨(dú)的C文件里面。為了方便，用戶也將自己添加的命令都放在board.c文件的最后。

　　例如，用戶想要給dBUG添加μC/OS操作系統(tǒng)加載的功能，除了在dBUG中加上自己的程序加載代碼外，還應(yīng)給dBUG添加一個(gè)名為ucosii的用戶命令。這樣可以通過(guò)在界面上輸入命令的形式實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的加載功能。首先應(yīng)該在board.c里面實(shí)現(xiàn)這個(gè)函數(shù)：

ucos_boot (int argc, char **argv)

{

…………

}

　　而后，應(yīng)在cmds.c文件里面聲明這個(gè)函數(shù)，并在緊接著的UIF_CMD UIF_CMDTAB數(shù)組里面聲明這個(gè)命令的特性和參數(shù)。

　　{“ucosii”, 4,0,0,0,ucos_boot, “Boot uCOS-II from RAM”,””},

　　其中，第一個(gè)test字符串是命令的名稱，第二個(gè)4表明命令識(shí)別的時(shí)候要匹配4個(gè)字符才行，最后的字符串是help命令時(shí)對(duì)test命令的解釋。在描述中間的test表明指向的函數(shù)名稱。這樣就很方便地添加了這個(gè)用戶命令。

4 結(jié) 論

　　綜上所述，Motorola公司的dBUG軟件由于其良好的源代碼組織結(jié)構(gòu)使得用戶在其上開(kāi)發(fā)應(yīng)用非常方便，用戶稍加修改就可將其移植到不同的硬件平臺(tái)上。它擁有良好的用戶界面，不僅可以完成用戶所需的程序下載、加載等功能，而且還可以方便地進(jìn)行調(diào)試，使用戶可以更好地監(jiān)控自己的程序。除此之外，用戶還可以很方便地添加自己所要的功能，其結(jié)構(gòu)具有良好的可擴(kuò)展性。所以，Motorola公司的dBUG bootloader的確是一個(gè)優(yōu)秀的bootloader范例，給廣大的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)不錯(cuò)的選擇。