嵌入式系统BOOTLOADER的设计与实现

复旦大学

硕士学位论文

嵌入式系统BOOTLOADER的设计与实现

姓名：朱晶

申请学位级别：硕士

专业：计算机应用技术

指导教师：涂时亮

20040427

摘要ｙ－

一

６５１８３０

嵌入式系统是把计算机直接嵌入到应用系统中，它融合了计算机软硬件技术，通信技术和半导体微电子技术，嵌入式设备已经越来越多地应用在现代人的工作和生活中，它在当今的应用正变得越来越广泛。ＢＯＯＴＬＯＡＤＥＲ作为嵌入式系统软件的重要组成部分，对它的研究和实现无疑也具有重要的现实意义。

本文首先对嵌入式系统ＢＯＯＴＬＯＡＤＥＲ的特点和作用进行了介绍。然后从嵌入式系统的角度对如何实现ＢＯＯＴＬＯＡＤＥＲ进行了比较全面的分析。

本文对嵌入式系统的硬件初始化，串ｕ驱动及传输协议，网口驱动及传输协议，ＵＳＢ驱动及传输协议，ＦＬＡＳＨ的驱动等等都做了比较洋细的分析。并结合ＥＶ４４８０丌发板，给出了实现的具体细节。

最后，对已经实现的ＢＯＯＴＬＯＡＤＥＲ进行了测试和评估，并就今后的改进方向提出了自己的意见。

关键字：嵌入式系统；ＢＯＯＴＬＯＡＤＥＲ；ＵＣＬＩＮＵＸ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｖｉｒｔｕａｌｌｙｅｖｅｒｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄｔｏｄａｙｉｓａｌｌｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍ．Ｂｒｉｅｆｌｙ，ＢＯＯＴＬＯＡＤＥＲｉｓｔｈｅｆｉｒｓｔｓｏｆｔｗａｒｅｐｒｏｇｒａｍｔｈａｔｒｕｎｓｗｈｅｎａｃｏｍｐｕｔｅｒｓｔａｒｔｓ．Ｉｔｉｓｒｅｓｐｏｎｓｉｂｌｅｆｏｒｌｏａｄｉｎｇａｎｄｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｔｏｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｋｅｒｎｅｌｓｏｆｔｗａｒｅ．ＴｈｉｓｅｓｓａｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｈｏｗｔｏｄｅｓｉｇｎＢＯＯＴＬＯＡＤＥＲｉｎａｎｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍ．

ＦｉｒｓｔｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｓａｎｄｔｈｎｃｔｉｏｎｏｆＢＯＯＴＬＯＡＤＥＲ，ｔｈｅｎｉｎｄｅｔａｉｌａｎａｌｙｚｅｓＢＯＯＴＬＯＡＤＥＲｆｒｏｍｖｉｅｗｏｆｅｍｂｅｄｄｅｄｆｉｅｌｄ，ａｎｄｂｒｉｎｇｓｕｐａｓｙｓｔｅｍｍｏｄｅｌｏｆＢＯＯＴＬＯＡＤＥＲ．

Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｉｔａｌｓｏｈａｖｅａｄｅｔａｉｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｏｍｅｐａｒｔｏｆＢＯＯＴＬＯＡＤＥＲ，ｓｕｃｈａｓｈａｒｄｗａｒｅｉｎｉｔｉａｌ，ＵＡＲＴｄｒｉｖｅｒａｎｄｔｒａｎｓｆｅｒｐｒｏｔｏｃａｉ，ｌａｎｃａｒｄｄｒｉｖｅｒａｎｄｔｆｌｐ／ｉｐｐｒｏｔｏｃａｉ，ＵＳＢｄｒｉｖｅｒａｎｄｔｒａｎｓｆｅｒｐｒｏｔｏｃａｌ，ＦＬＡＳＨｄｒｉｖｅｒｅｔｃ．

Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓａｎｄｔｅｓｔｓＢＯＯＴＬＯＡＤＥＲｉｎＥＶ４４８０ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｂｏａｒｄ，ｔｈｅｎｂｒｉｎｇｓｕｐｓｏｒｔｉｅａｄｖｉｃｅｏｎｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄ：ＢＯＯＴＬＯＡＤＥＲ，ｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍ，ＵＣＬＩＮＵＸ

第一章绪论

第一节引言

嵌入式系统是把计算机直接嵌入到应用系统中，它融合了计算机软硬件技术，通信技术和半导体微电子技术，嵌入式设备已经越来越多地应用在现代人的ＪＴ作和生活中。

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，ＲＩＳＣ型处理器具有结构简单，处理速度快和处理功能强等特点，新型的嵌入式系统大多采用ＲＩＳＩＣ型处理器作为核，如ＡＲＭ公司的ＡＲＭ。ＡＲＭ公司是嵌入式ＲＩＳＣ处理器的知识产权ＩＰ提供商，它为ＡＲＭ架构处理器提供了ＡＲＭ处理器内核，如ＡＲＭ７ＴＤＭＩ。在本应用中，采用的ｓ３ｃ４４ＢＯ处理器就是ＡＲＭ７ＴＤＭＩ的内核。

简单的嵌入式系统一般并不使用操作系统，只包含一些控制流程。但是当系统所提供的功能复杂化以后，比如需要提供图形界面等等，这个时候就必须考虑使用操作系统。

如今，在专用的嵌入式板子运行Ｕｃｌｉｎｕｘ系统已经变得越来越流行。

一个嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统从软件的角度看通常可以分为四个层次：

１．引导加载程序。包括固化在固件（ｆｉｒｍｗａｒｅ）中的ｂｏｏｔ代码（可选），和ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ两大部分。

２．Ｌｉｎｕｘ内核。特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。

３．文件系统。包括根文件系统和建立于Ｆｌａｓｈ内存设备之上文件系统。通常用

ｒａｌＴｌｄｉｓｋ来作为ｒｏｏｔｆｉｌｅｓｙｓｔｅｍ。

４．用户应用程序。特定于用户的应用程序。有时在用户应用程序和内核层之间

可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。常用的嵌入式ＧＵＩ有：

ＭｉｃｒｏＷｉｎｄｏｗｓ和ＭｉｎｉＧＵＩ等。

引导加载程序是系统加电后运行的第一段软件代码。回忆一下Ｐｃ的体系

结构我们可以知道，Ｐｃ机中的引导加载程序由ＢＩＯＳ（其本质就是一段固件程序）

和位于硬盘ＭＢＲ中的ＯＳＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ（比如，ＬＩＬＯ和ＧＲＵＢ等）一起组成。

ＢＩＯＳ在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘ＭＢＲ中的ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ读到系统

的ＲＡＭ中，然后将控制权交给ＯｓＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ。ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ的主要运行任务

就是将内核映象从硬盘上读到ＲＡＭ中，然后跳转到内核的入口点去运行，也

即开始启动操作系统。

而在嵌入式系统中，通常并没有像ＢＩＯＳ那样的固件程序（注，有的嵌入

式ＣＰＵ也会内嵌一段短小的启动程序），因此整个系统的加载启动任务就完全

４

由ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ来完成。比如在一个基于ＡＲＭ７ＴＤＭＩ内核的嵌入式系统中，系统在上电或复位时通常都从地址０ｘ００００００００处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ程序。

在把Ｕｃｌｉｎｕｘ移植到开发板后，这段引导程序的软件模块就是ｈｃａｄ—ｍｉｃｅｔｅｋ．Ｏ，它随后调用ｍｉｓｃ．Ｏ这个解压缩模块中的解压缩函数，解压ｐｉｇｇｙ．ｏ这个Ｕｅｌｉｎｕ＿ｘ内核，把内核解到开发板的ｒａｉｎ中后，跳到内核入口处执行。

下面将从ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ的概念、ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ的主要任务、ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ的框架结构等三个方面来讨论嵌入式系统的ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ。

第二节ＢＯＯＴＬＯＡＤＥＲ的概念

简单地说，ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。

通常，ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ是严重地依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式世界。因此，在嵌入式世界里建立～个通用的ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ几乎是不可能的。尽管如此，我们仍然可以对ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ归纳出一些通用的概念来，以应用于各种特定的ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ设计与实现。

１．ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ所支持的ＣＰＵ和嵌入式板

每种不同的ＣＰＵ体系结构都有不同的ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ。有些ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ也支持多种体系结构的ＣＰＵ，比如Ｕ—Ｂｏｏｔ就同时支持ＡＲＭ体系结构和ＭＩＰＳ体系结构。除了依赖于ＣＰＵ的体系结构外，ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ实际上也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。这也就是说，对于两块不同的嵌入式板而言，即使它们是基于同一种ＣＰＵ而构建的，要想让运行在一块板子上的ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ程序也能运行在另一块板子上，通常也都需要修改ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ的源程序。

２．ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ的安装媒介（ＩｎｓｔａｌｌａｔｉＯｎＭｅｄｉｕｍ）

系统加电或复位后，所有的ＣＰＵ通常都从某个由ＣＰＵ制造商预先安排的地址上取指令。比如，基于ＡＲＭ７ＴＤＭＩＧｏｒｅ的ＣＰＵ在复位时通常都从地址Ｏｘ００００００００取它的第一条指令。而基于ＣＰＵ构建的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备（比如：ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ或ＦＬＡＳＨ等）被映射到这个预先安排的地址上。因此在系统加电后，ＣＰＵ将首先执行ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ程序。

３．用来控制ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ的设备或机制

主机和目标机之间一般通过串口建立连接，ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ软件在执行时通常