PXA272啟動(dòng)引導(dǎo)程序的實(shí)現(xiàn)和功能擴(kuò)展

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)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(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)層次性結(jié)構(gòu)，從底層到應(yīng)用分別是：硬件、啟動(dòng)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(dòng)引導(dǎo)程序，啟動(dòng)引導(dǎo)程序在嵌入式Linux系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(yùn)行之前運(yùn)行的代碼，BootLoader完成內(nèi)核加載啟動(dòng)。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(yùn)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(duì)應(yīng)不同Bootloader,另外Bootloader的實(shí)現(xiàn)也依賴于具體板級(jí)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(chǔ)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(dòng)參數(shù)；啟動(dòng)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(jì)一個(gè)Bootloader，須具備以下基本功能：
l    正確初始化硬件，使系統(tǒng)平臺(tái)正常啟動(dòng)。
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(dòng)作準(zhǔn)備。
l    加載Linux內(nèi)核到RAM中，啟動(dòng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)，并進(jìn)一步啟動(dòng)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(jì)開發(fā)調(diào)試過程，Bootloader通過交互界面與系統(tǒng)平臺(tái)交互，測試平臺(tái)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(dòng)是Bootloader的最終目標(biāo)。
l    提供串口交互的命令控制臺(tái)。支持配置功能:設(shè)置IP，MAC，系統(tǒng)時(shí)間等。

Bootloader有兩種操作模式:啟動(dòng)加載模式和下載模式；啟動(dòng)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(tái)

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(jí)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(dòng)態(tài)電源管理實(shí)現(xiàn)低功耗；提供32KB D/I Cache；集成64M Flash和265K SRAM；

硬件平臺(tái)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(jì)

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(hào)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(dòng)存儲(chǔ)器。

4、Bootloader的實(shí)現(xiàn)與擴(kuò)展

啟動(dòng)引導(dǎo)程序分成硬件初始化(Boot)和內(nèi)核加載兩個(gè)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(shí)現(xiàn)；Loader部分在完成硬件初始化后，將加載映像文件并啟動(dòng)內(nèi)核，這部分一般用C語言實(shí)現(xiàn)。

4.1硬件初始化(Boot)

可執(zhí)行Boot映像必須且只有一個(gè)全局入口。在匯編文件Start.S中指定入口：
_start : b start
Bootloader由多個(gè)文件組成。首先是匯編語言實(shí)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(shí)鐘
       bl    setup_memory       //初始化靜動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)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(dòng)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(dòng)態(tài)時(shí)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(yùn)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(yùn)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(shí)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。

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系統(tǒng)存儲(chǔ)器初始化：通過配置功能寄存器來實(shí)現(xiàn)；在Pxa272上電后，SDRAM處于睡眠無時(shí)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(chǔ)器的相應(yīng)位，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的命令實(shí)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)。可以通過串口實(shí)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(gè)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(dòng)、運(yùn)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。

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加載內(nèi)核、文件系統(tǒng)映像，設(shè)置啟動(dòng)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(dòng) Linux 內(nèi)核。啟動(dòng)內(nèi)核前，要作些準(zhǔn)備工作：設(shè)置啟動(dòng)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(dòng)參數(shù)。由Boot Loader設(shè)置常見啟動(dòng)參數(shù)：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD 等。啟動(dòng)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(diǎn)，內(nèi)核接管控制權(quán)，開始啟動(dòng)Linux。

4.3 啟動(dòng)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(chǔ)器有3個(gè)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(cuò)誤，還對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行分析診斷，給出錯(cuò)誤原因，并定位錯(cuò)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(gè)相鄰位), 0x07(三個(gè)相連位),0x0F(四個(gè)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(bào)錯(cuò)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(cuò)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(yàn)證。

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

2．液晶屏測試(LCD_TEST)：啟動(dòng)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(diǎn)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。

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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(shí)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(duì)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(shí)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(jì)和實(shí)現(xiàn)基于PXA272處理器開發(fā)板的Bootloader工作，對(duì)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(huì)到要編寫開發(fā)板的Bootloader，需要詳細(xì)了解目標(biāo)板平臺(tái)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(shí)現(xiàn)基本功能入手，再不斷擴(kuò)展。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):對(duì)基于Pxa272的嵌入式系統(tǒng)的Bootloader的實(shí)現(xiàn)作了詳細(xì)分析；對(duì)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(tái)的測試工作，給硬件工程師調(diào)試硬件提供一個(gè)良好的軟件平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)
[1]Intel PXA27X Processor Family Developer’s Manual[Z].Intel. October 2004
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[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(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)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(jì)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2005.01