基于ARM的嵌入式BootLoader设计与启动过程

1 引言

近年来，ARM在嵌入式设备中的应用越来越广泛。S3C44B0X就是Samsung公司生产的基于ARM7架构的微处理器。uCLinux是专门为无MMU处理器设计的嵌入式操作系统，支持ARM、Motorola等处理器。采用ARM+uCLinux作为嵌入式开发平台，吸取了两者优点，是一种比较流行的开发方式。在ARM程序设计中，启动代码是至关重要的，它不仅初始化硬件系统本身，而且最终引导进入操作系统，所以启动代码的设计直接影响整个开发的正常进行。本文结合S3C44B0X的特点详细给出了Bootloader设计和启动过程。

2 BootLoader代码

Bootloader代码是芯片复位后进入操作系统之前执行的一段代码，主要是为操作系统提供基本的运行环境，由它最终将操作系统启动起来并将控制权交给操作系统内核。

Bootloader代码由汇编代码和C代码两部分组成。由于资源有限，Bootloader、uCLinux内核映象、文件系统(Ramdisk压缩映象)通常都是固化在Flash中的。在S3C44B0X架构的嵌入式系统中，为了保证上电或复位时正常运行，Bootloader必须存放在Flash(0x0-0x400000,

4M)中的0x0处，则在硬件设计中把Flash接在CPU的nGCS0处[1]。上电后 Bootloader首先完成存储器、堆栈、寄存器、全局变量和基本硬件模块的初始化，这由汇编代码完成，然后将操作系统内核与文件系统调入 SDRAM(0x0c000000-0x0c800000,8M)中,并将PC指针指向操作系统内核的入口处,为操作系统的运行作好准备，这由C代码完成。

3 BootLoader代码设计流程

ARM芯片多数为复杂的片上系统(SOC)，系统里许多硬件模块都可由软件来设置。系统的初始化直接联系到处理器内核和硬件控制器，进行编程一般用汇编语言。根据具体的目标系统，Bootloader的设计流程包括：⑴设置异常向量表 ⑵初始化存储器系统 ⑶堆栈初始化 ⑷C例程全局变量初始化 ⑸呼叫主程序

3.1 设置异常中断向量表

ARM处理器的中断向量表从地址0x0处开始存放，连续有8×4字节的空间。在ARM存储空间里每个字32位，占4个字节。可以通过图1来描述中断向量表的地址分配。

每当有中断或者异常发生时，ARM处理器便强制把PC指针指向向量表中对应中断类型的地址值。为了加快中断响应，我们在Flash的0x0地址存放能跳转到0x0c000008地址处中断向量的跳转指令，即在RAM中建立一个二级中断向量表，起始地址为0x0c000008，除复位外，其它异常入口地址由Flash跳转得到，如表1所示：

图 1 中断向量表 表 1 异常向量表跳转关系

3.2 初始化存储器系统

存储器系统的初始化是指对Flash、RAM存储器的地址范围，数据总线宽度及DRAM的刷新等进行软件设置。设置对象是存储器控制寄存器，芯片不同具体的设置不同。本文仅以开发中用到S3C44B0X为例，说明这部分程序设计的过程。

memsetup: ldr r0, =MEMORY_CONFIG

ldmia r0, {r1-r13}

ldr r0, =0x01c80000

stmia r0, {r1-r13}

其中MEMORY_CONFIG地址处定义了配置rBWSCON, rBANKCONn(n=0-7),rREFRESH,

rBANKSIZE,rMRSRB6,rMRSRB7寄存器的值（依次为0x11000100,0x700,0x700,0x7ffc,0x7568

,0x700,0x700,0x18008,0x18000,0xac03e1,0x16,0x020,0x020)。

图 2 地址映射关系

地址重映射通常把位于Flash的0x0处异常向量表映射到更快、更宽(32bit/16bit)的RAM中，并把0地址重新指向到RAM中去.图2描述了Remap前后的地址映射关系,复位时ROM定位到0x0，实际的跳转地址为ROM的Reset Handler处，Remap后0x0的ROM替换为RAM，并把中断向量表拷贝到0x0。Remap的实现和ARM处理器硬件特性相关。在 S3C44B0X系统中，既没有MMU也不支持Remap，为了实现快的启动和异常处理速度，在Bootloader程序设计中，我们把RAM中的 0x0c000008地址当成0x0地址处理，即在这里开始存放程序中断向量，而在Flash的0x0地址存放能跳转到0x0c000008地址处中断向量的跳转指令。支持Remap的处理器有的通过寄存器的相应Bit位置1来完成，有的通过软件设计改写Memory起始地址的Bank寄存器完成[2]。

3.3 初始化堆栈

ARM处理器有7种工作模式，每种模式都有独立的堆栈指针寄存器(SP)，并定义相应地址。改变状态寄存器(CPSR)的状态位，可使处理器切换到不同模式，然后给SP赋值，就实现了堆栈的初始化。需注意的是：不要切换到用户模式进行本模式的堆栈设置，因为进入该模式后就不能修改CPSR回到别的模式了,会影响程序的顺利执行[3]。初始化堆栈的代码如下所示：（以2个不同的SP寄存器SP_IRQ、SP_FIQ为例）

InitStacks: mrs r0,cpsr ；CPSR=》R0

bic r0,r0,#MODEMASK|NOINT ；屏蔽模式位和中断

orr r1,r0,#IRQMODE|NOINT ；MODEMASK =0x1