基于FPGA嵌入式Bootloader的设计与实现
基于ARM嵌入式开发的BootLoader设计与实现
Ｃ ｏ ｍ ｐ ｕ ｔ ｅ ｒ Ｋ ｎ ｏ ｗ ｌ ｅ ｄ ｇ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ 电脑知识 技术
２ ． ２ Ｂ ｏ ｏ ｔ ｌ ｏ ａ ｄ ｅ ｒ 的 第 一 阶 段
Ｂ ｏ ｏ ｔ ｌ ｏ ａ ｄ ｅ ｒ 第一 阶段 的功能 ：
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ １ — ０ ９
７ ６ ２ ｎ “ 本栏目责任编 辑 ： 谢媛媛
第１ Ｏ卷第４期 （ ２ ０ １ ４年２月）
Ｓ Ｄ主 机 和 ＭＭＣ 接 口， ２ 路Ｓ Ｐ Ｉ 。￥ ３ Ｃ ２ ４ １ ０ 芯片可运行在 ２ ０ ０ Ｍ Ｈｚ 以上。
２ Ｂ ｏ ｏ ｔ ｌ ｏ ａ ｄ ｅ ｒ 设 计与 实现
通常Ｂ ０ ｏ ｔ ｌ ｏ ａ ｄ ｅ ｒ 的加载有两种方式 ： 第一是通过 Ｎ Ｏ Ｒ Ｆ Ｌ Ａ Ｓ Ｈ启动 ， 其特点是速度快 。Ｃ Ｐ Ｕ可 以像访 问内存 一样直接访 问Ｎ Ｏ Ｒ
Ｖｏ １ ． １ ０ ， Ｎｏ ． ４， Ｆ ｅ ｂ ｒ ｕ ａ ｒ ｙ ２ ０ １ ４
基于 Ａ ＲＭ 嵌 入式 开 发 的 Ｂ ｏ ｏ ｔ Ｌ ｏ ａ ｄ ｅ ｒ 设 计 与 实现
徐 磊
（ 贵州师范大学 数学 与计算机学院 ， 贵州 贵阳 ５ ５ ０ ０ ０ １ ）
摘要： 该 文 简要介 绍 了嵌入 式开发 中引导程 序的 重要 性 。以及嵌入 式 开发 过程 申Ｂ ｏ ｏ ｔ Ｌ ｏ ａ ｄ ｅ ｒ 的 实现原理 ， 并结合基 于
基于ARM嵌入式系统的通用bootloader的设计与实现-百度文库.
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,WINDOW CE，POCKET PC，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、Power PC、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、指令译码以及控制逻辑、指令流水线和数据/地址寄存器组成。
FPGA嵌入式系统开发与实例
03
fpga嵌入式系统设计语 言及工具
vhdl语言
总结词
VHDL是一种用于描述数字电路和系统的硬件描述语言。
详细描述
VHDL是一种超前描述语言，可以用于描述时序和组合逻辑电 路，以及更复杂的数字系统。它支持信号赋值、条件语句、 循环语句等结构，适用于描述复杂的数字系统。
verilog语言
总结词
FPGA嵌入式系统的主要目的是 利用FPGA的并行处理能力和灵 活性来提高整个系统的性能和
效率。
在FPGA嵌入式系统中，FPGA 通常被用作执行复杂逻辑功能 和并行数据处理的核心部件。
fpga嵌入式系统应用领域
通信
FPGA嵌入式系统广泛应用于通信领域，如高速数 据传输、无线通信、光纤通信等。FPGA可以用于 实现复杂的调制解调、信号处理和数据压缩等功 能。
根据需求分析结果，进行硬件部分的设计，包括 芯片选型、电路设计、接口设计等。
软件设计
进行软件部分的设计，包括编程语言选择、算法 设计、程序结构规划等。
硬件与软件的集成
将硬件和软件部分进行集成，实现预定的功能和 性能。
仿真验证
仿真环境搭建
选择合适的仿真工具，搭建仿真环境，为后续仿真 验证提供条件。
功能验证
Verilog是一种用于描述数字电路和系统的硬件描述语言。
详细描述
Verilog是一种基于事件的描述语言，可以用于描述数字电路和系统的行为和 结构。它支持模块化设计、信号赋值、条件语句、循环语句等结构，适用于 描述复杂的数字系统。
icarus tool
总结词
Icarus是一个开源的FPGA设计工具，用于Verilog HDL模拟和综合。
安全性和可靠性
嵌入式系统广泛应用于各个领域，对其安全性和可靠性的 要求也越来越高，需要采取有效的措施来确保系统的安全 性和可靠性。
嵌入式系统的Bootloader
• 应用程序部分 ➢构建基本的嵌入式Linux文件系统 ➢应用程序开发与移植
嵌入式系统设计
-目标机开发模式
并口/串口
嵌入式系统设计
JTAG
BootLoader和嵌入式Linux嵌入式系统计BootLoader分类
• BootLoader ➢LILO ➢GRUB ➢U-BOOT
嵌入式系统设计
嵌入式系统的BootLoader
嵌入式系统设计
• 嵌入式Linux系统从整体上讲，可以分为五大部分:
– BootLoader（引导加载程序） – Kernel（内核） – File System（文件系统） – Device drivers（驱动程序） – Applications（应用程序）
Stage1:（阶段一主要通过汇编语言实现，依赖cpu体系结构初始化 • 进行硬件的初始化（watchdog,ram初始化）。复制Stage2阶段代码到RAM空间。 • 为Stage2加载代码准备RAM空间。 • 设置好栈。
• 跳转到第二阶段代码的入口点。
Stage2:（阶段2主要通过c语言实现，具有好的可读性和移植性） • 初始化该阶段所用到的硬件设备。 • 检测系统内存映射。 • 将uImage, Rootfs, dtb文件从flash读取到RAM内存中。 • 设置内核启动参数。（如通过寄存器传递设备树文件的内存地址）
包括正确地设置系统的内存控制器的功能寄存器以及各内存控 制寄存器等
➢ 初始化 LED
典型地，通过 GPIO 来驱动 LED，其目的是表明系统的状态是 OK 还是 Error。如果板子上没有 LED，那么也可以通过初始化 UART 向串口打印 BootLoader 的 Logo 字符信息来完成这一点 ➢ 关闭 CPU 内部指令／数据 cache
嵌入式系统设计实验告--BootLoader移植实验
合肥学院嵌入式系统设计实验报告（20 13 - 20 14 第 2 学期）专业：实验项目：BootLoader移植实验实验时间：2014年5月19日实验成员：____________________________________________________________________指导老师：电子信息与电气工程系2014 年 4 月制实验三BootLoader 移植实验一、实验目的1、熟悉 Bootloader 工作原理。
2、了解 U-Boot 的代码结构。
3、掌握 U-Boot 移植过程。
二、实验内容本实验熟悉 Bootloader 工作原理，了解 U-Boot 源码结构，基于 S3C2440 处理器，完成 U-Boot 移植，并在目标开发板上测试通过。
三、实验设备硬件： 1、 pc 机2、 FriendlyARM开发套件即MIRCO2440 核心板软件： 1、虚拟机（ VMware ）2、U-Boot 源码（ u-boot-2011.03.tar ）四、实验过程1、 Micro2440配置在mini2440/micro2440上的移植准备工作，我们仍然将开发板文件建立在board/samsung 下，2、配置时出现错误，字体要修改，复制粘贴的时候出现的错误，有的地方有中文，去掉就行了。
3、编译完成失败，只有上网查找错误，最后解决了错误。
11124、编译完成后将u-boot.bin下载到SDRAM的 0x33f80000地址处， u-boot已经能在RAM中运行。
二、支持DM90001、编译完成后将u-boot.bin下载到SDRAM的0x33f80000地址处。
三、支持内核启动1、编译完成后将u-boot.bin下载到SDRAM的0x33f80000地址处。
四、支持Nand Flash1、编译完成后将u-boot.bin下载到SDRAM的0x33f80000地址处。
五、实验小结本实验需要熟悉Bootloader 工作原理，了解U-Boot 源码结构，基于S3C2440 处理器，完成 U-Boot 移植，并在目标开发板上测试通过，首先可以看到实验指导书上的介绍，了解U-Boot 的移植。
嵌入式系统中Bootloader的设计与实现
计算机操作系统的内核引导程序 (Bootloader) 是系统必 不可少的一部分 其一般要实现的功能[1]如下 (1)初始化 CPU 速度 存储器 存储器配置寄存器以及串口等 (2)激活 指令/数据 Cache 建立堆栈指针 建立启动参数区 构造参 数结构和标识列表 (3)通过上电自检,来识别存在哪些设备 并报告异常 提供对电源管理中休眠/恢复的支持 (4)跳转 到内核起始处 系统启动 当前 嵌入式应用开发中使用嵌 入式操作系统已成为一个热点 是单片机应用从低水平向高 水平的一个进步 在嵌入式操作系统中 Bootloader 也被认 为是不可缺少的一段程序[2] 它主要用作系统从硬件启动到 操作系统启动的过渡 相当于 PC 机中的 BIOS 和 OS Loader 和 BIOS OS Loader 一样 它需要固化在目标板 中 每次启动目标板时 首先会运行 Bootloader 在它完成 CPU 和相关硬件的初始化后 才从规定的地址启动操作系统 或嵌入式应用的固化程序 作者结合参加 基于信息家电的 嵌入式实时操作系统研究 (广西区科技攻关项目)的项目实 践经验 以嵌入式 Linux 系统中编写 Bootloader 以及应用 Bootloader 为实例 系统总结嵌入式系统中 Bootloader 的设 计方法 这对嵌入式设备研发中使用操作系统有很好的借鉴 意义
就开始把整个 Linux 的内核拷贝到 SDRAM 中运
0x0c00.0000 开始的第 1 个 1MB 放 Bootloader 从 0x0c10.0000 行 进入 kernel 的拷贝工作
开始的 2MB 放 Linux kernel, 从 0x0c30.0000 开始的余下部分
嵌入式系统BootLoader的设
BootLoader的安装媒介
系统加电或复位后，所有的CPU通常都从CPU制造商预先 安排的地址上取指令。
基于ARM7TDMI Core的嵌入式系统中，系统在上电或 复位时是从0x00000000地址开始取第一条指令执行，而 在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader程序。
嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备(比如： ROM、EPROM或FLASH等)被安排这个起始地址上用来 存放BootLoader程序。
因此，为嵌入式系统建立一个通用的BootLoader是很困 难的。尽管如此，我们仍然可以对BootLoader（尤其是 基于同种Core的微处理器）归纳出一些通用的概念和设 计思路，用来指导用户特定的BootLoader设计与实现。
15
BootLoader的启动过程
为了增加BootLoader的通用性和可移植性，本文把启动 过程分为phasel和phase2两个阶段。
转移指令 LDR PC,=FIQHandler LDR PC,=IRQHandler NOP LDR PC,=DabortHandler LDR PC,=PabortHandler LDR PC,=SWIHandler LDR PC,=UndefHandler B ResetHandler
① 设置中断向量表
1
设置
中断向量表
2
最小硬件 初始化
RTOS运行环境
3
初始化
最 小 启 动 phase1 代 码
中断向量表放在上电后映射在从 0x00000000开始的8*4个字节的连续存储 空间中，其作用是指定了各种异常中断 处理程序的入口地址。
21
嵌入式系统的初始化流程（2）
硬件初始化阶段
嵌入式系统设计-BootLoader
u32 size; /*the byte number of the memory region*/
int
used;
}memory_area_t;
Boot Loader划分
• 大多数Boot Loader 都分为stage1 和stage2
两大部分。依赖于CPU 体系结构的代码， 比如设备初始化代码等，通常都放在stage1 中，而且通常都用汇编语言来实现，以达 到短小精悍的目的。而stage2 则通常用C语 言来实现，这样可以实现给复杂的功能， 而且代码会具有更好的可读性和可移植性。
好准备。
跳转到 stage2 的 C 入口点
Stage2
• 通常包括以下步骤(以执行的先后顺序)：
– 初始化本阶段要使用到的硬件设备。 – 检测系统内存映射(memory map)。 – 将kernel 映像和根文件系统映像从flash 上读到
RAM 空间中。 – 为内核设置启动参数。 – 调用内核。
来作为 main() 函数的外部包裹(external wrapper)
• 用汇编语言写一段trampoline 小程序，并
将这段 trampoline 小程序来作为 stage2 可执行映象的执行入口点。
• 在 trampoline 汇编小程序中用 CPU 跳转
指令跳入 main() 函数中去执行；
60KB 4KB 704KB 1280KB
Bootloader空间结构划分
控制Boot Loader 的设备或机制
• 主机和目标机之间一般通过串口建立连接，
Boot Loader 软件在执行时通常会通过串口 来进行I/O，比如：输出打印信息到串口， 从串口读取用户控制字符等
Boot Loader 的操作模式
基于FPGA的嵌入式系统的设计与实现
2、输入模块设计
输入模块主要包括乐曲信息的采集和传输。本系统中，乐曲信息采用MIDI格 式进行存储和传输。用户可以通过MIDI键盘或者其他MIDI设备将乐曲信息输入到 系统中。
3、处理模块设计
处理模块主要由FPGA完成，其主要任务是将输入的乐曲信息转换为硬件可以 识别的控制信号。
具体来说，FPGA首先需要将MIDI格式的乐曲信息解析为数字信号，然后通过 内部算法进行处理，生成控制音频硬件的信号。本系统中，FPGA主要通过VHDL编 程语言来实现上述功能。
基于FPGA的嵌入式系统的设计与实 现
目录
01 基于FPGA的嵌入式系 统设计与实现
02 参考内容
基于FPGA的嵌入式系统设计与 实现
随着科技的不断发展，嵌入式系统在各个领域的应用越来越广泛。FPGA（现 场可编程门阵列）作为一种灵活、高效的硬件设计技术，为嵌入式系统设计提供 了新的解决方案。本次演示将介绍基于FPGA的嵌入式系统的设计与实现。
经过以上步骤，我们可以得出基于FPGA的嵌入式系统的设计与实现具有以下 优点：首先，FPGA的可编程性使得硬件设计更加灵活，可以根据不同需求进行定 制和优化；其次，FPGA的高速并行处理能力可以提高整个嵌入式系统的运算效率 和性能；再次，使用FPGA可以降低系统功耗和成本，同时减小了系统的体积和重 量；最后，FPGA的可重构特性使得系统升级和维护更加简便。
1、硬件设计
系统的硬件部分主要包括DSP、FPGA、RAM、Flash等。其中，DSP用于实现 信号处理算法，接收GPS和惯性导航等传感器数据，计算出位置、速度等信息； FPGA用于实现硬件接口、数据传输和控制逻辑，连接各个硬件模块，保证系统的 正常运行；RAM用于存储运行时的数据和程序；Flash用于存储固件程序和常量数 据。
基于fpga的嵌入式系统设计_修改版
基于fpga的嵌入式系统设计_修改版摘要本文设计完成的是基于FPGA的嵌入式系统开发板，它可以完成FPGA、嵌入式系统和SOPC等的设计和开发。
开发板以Altera公司的Cyclone系列FPGA—EP1C6为核心，在其外围扩展FLASH、SRAM、A/D、D/A、键盘、LED显示、LCD显示、串口通信、VGA接口、PS2接口和USB接口等器件，使其成为一个完整的嵌入式开发系统，系统采用模块化设计，各个模块之间可以自由组合，使得该开发板的灵活性和可扩展性大大提高。
同时开发板所提供的丰富的接口模块，供人机交互和器件间通信使用，方便了开发者的设计和系统的嵌入，可以满足普通高等院校、科研人员等的需求。
开发者可以使用VHDL语言、Verilog HDL语言、原理图输入等多种方式进行逻辑电路和功能模块设计，也可以利用Altera公司提供的IP资源和Nios 16/32位处理器开发嵌入式系统，借助QuartusII和Nios SDK Shell软件进行编译、下载，并通过本嵌入式系统开发板进行调式和结果验证。
关键词：嵌入式系统，Nios嵌入式处理器，SOPC，FPGAIABSTRACTThe thesis completes a design of an embedded system development board based on FPGA.The development board can complete the design of FPGA,embeded system,SOPC and so on.The development board is based on Altera Cyclone device—EP1C6，the board extends several peripheral devices such as,FLASH,SRAM, A/D,D/A,LED,LCD,keyboard,serial port,VGA interface,PS2 interface,USB interface and so on.All the devices constitute an integrated embeded development system. The development board offers us plenty of interfaces to meet the need of the device communication and the intercommunion between human and computer,which makes the design and the embedding of the system more easier.The Nios Development Board can meet the need of scientific researchers and other college researchers.The developers can use VHDL,Verilog HDL,schematic input mode and so on to design logic circuit and function block,they can alse use the IP core and Nios microprocessor which are offered by AlteraIto develop embedded systems. The developers can utilize QuartusⅡ and Nios SDK Shell to compile and download,then they can use this development board to debug and validate the result.KEY WORDS: embeded system, Nios embeded CPU，SOPC，FPGAI目录前言 (1)第1章绪论 (3)1.1嵌入式系统概述 (3)1.1.1嵌入式系统的特点 (3)1.1.2 片上系统和可编程片上系统 (6)1.2 Nios嵌入式处理器 (7)1.2.1 Nios嵌入式处理器特性 (7)1.2.2 Nios嵌入式处理器系统组件 (10)1.2.3 Avalon交换结构总线 (11)第2章 Nios嵌入式系统开发板整体理论分析 (16)2.1 系统设计目标 (16)2.2 系统设计原理 (16)2.3 开发板组件与理论分析 (19)2.4 开发板电路设计原理图与PCB布线图 (24)第3章 Nios嵌入式系统开发板硬件开发环境 (26)3.1 硬件开发环境概述 (26)3.2 FPGA：EP1C6QC240C8的特性和电路设计 (26)I3.2.1 特性和封装 (27)3.2.2 引脚说明 (28)3.2.3 工作条件 (28)3.3 串行配置器件：EPCS1的特性和电路设计 (28)3.3.1 Cyclone FPGA的配置 (28)3.3.2串行配置器件： EPCS1/EPCS4 (31)3.3.3 EPCS1的电路设计 (34)3.4 SRAM：IDT71V016的特性和电路设计 (34)3.4.1 器件特性 (34)3.4.2 IDT71V016工作方式 (35)3.4.3 IDT71V016的电路设计 (37)3.5 FLASH：AM29LV800B的特性和电路设计 (39)3.5.1 器件特性 (39)3.5.2 器件工作方式描述 (40)3.5.3 AM29LV800总线操作 (42)3.5.4 AM29LV800的电路设计 (44)第4章软件开发环境：QuartusⅡ和SOPC Builder (45)4.1 QuartusⅡ及其开发流程 (45)4.2 SOPC Builder (46)4.3 GERMS监控 (49)第5章 Nios嵌入式系统开发板调试 (52)I5.1 片内RAM、ROM调试 (52)5.2 GERMS监控调试 (59)5.3 扩展SRAM调试 (66)5.4 扩展FLASH调试 (69)第6章底板部分 (76)6.1 底板概述 (76)6.2 高速A/D：TLC5540 (77)6.3 高速D/A：DAC908 (79)6.4低速A/D：MCP3202 (82)6.5 低速D/A：DAC7512 (83)6.6 LED数码管及键盘管理器件：ZLG7289A (85)6.7 图形LCD液晶显示屏：HD61202 (88)第7章应用实例：利用Nios嵌入式系统开发板完成DDS的设计 (91)7.1 理论分析 (91)7.2 利用开发板实现的优点 (94)7.3系统设计与实现 (95)7.3.1 参数选取 (95)7.3.2 系统设计 (96)7.3.3 系统实现 (97)第8章总结 (98)8.1 主要工作总结 (98)I8.2 结论 (98)8.3 改进意见 (99)致谢 (100)参考文献 (101)附录 (102)附1 英文原文 (102)附2 中文翻译 (113)附3 Cyclone器件引脚功能、定义和工作条件 (121)附4 测试程序led.c (142)I前言FPGA的特点及其发展趋势：嵌入式系统，是一个面向应用、技术密集、资金密集、不可垄断的产业，随着各个领域应用需求的多样化，嵌入式设计技术和芯片技术也经历着一次又一次的革新。
基于嵌入式ARM的Bootloader研究与实现
三、Bootloader的研究进展开嵌 入式ARM系统的Bootloader研究 与实现
三、Bootloader的研究进展开嵌入式ARM系统的Bootloader研究与 实现
嵌入式ARM系统在许多领域得到广泛应用，如工业控制、智能家居、通信设备 等。在这些应用场景中，Bootloader的作用不言而喻。本次演示将深入探讨嵌入 式ARM系统的Bootloader研究与实现。
内存管理模块主要负责内存的映射和保护工作。为了实现通用性，我们可以 采用内存分页和分段的技术来实现内存管理。通过将内存分为不同的段或页，我 们可以实现对内存的灵活管理。例如，我们可以将系统程序代码映射到 0x~0x0FFFFFFF的空间，将数据映射到0x~0x1FFFFFFF的空间等。
4、异常处理模块
一、Bootloader的启动过程
5、将引导程序加载到内存中，并跳转到该执行。
二、Bootloader的实现方法
二、Bootloader的实现方法
1、汇编语言实现：由于Bootloader需要直接与硬件打交道，因此通常使用 汇编语言实现。常用的汇编语言有ARM汇编和Keil汇编。
二、Bootloader的实现方法
基于嵌入式ARM的 Bootloader研究与实现
目录
01 一、Bootloader的 启动过程
03 三、Bootloader的 研究进展开嵌入式 ARM系统
02 二、Bootloader的 实现方法
04 参考内容
嵌入式ARM系统的Bootloader研 究与实现
嵌入式ARM系统的Bootloader研究与实现
三、通用Bootloader的实现
为了进一步实现通用的Bootloader，我们还需要使用一种可扩展的程序设计 方法。该方法允许我们在不更改程序代码的前提下，通过添加不同的模块来实现 不同的功能。例如，我们可以添加一个网络模块来实现从网络启动的功能；我们 也可以添加一个USB模块来实现从USB设备启动的功能。
基于FPGA技术的嵌入式系统设计与开发
基于FPGA技术的嵌入式系统设计与开发嵌入式系统在现代科技中起着至关重要的作用，它们被广泛应用于智能手机、汽车、医疗设备和工业控制等领域。
嵌入式系统的设计与开发过程中，FPGA（Field Programmable Gate Array）技术成为一种常用的解决方案。
本文将探讨基于FPGA技术的嵌入式系统设计与开发的相关内容。
一、嵌入式系统设计与开发的基本概念嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它被嵌入到其他设备或系统中，以实现特定的功能。
嵌入式系统通常具有实时性要求、资源受限、功耗低等特点，因此对其设计与开发的要求较高。
基于FPGA技术的嵌入式系统设计与开发，采用可编程逻辑芯片FPGA作为硬件平台，通过对FPGA内部逻辑电路的编程实现所需功能。
相比于传统的ASIC（Application Specific Integrated Circuit）设计流程，FPGA技术具有可重构性、快速原型开发、灵活性等优势。
二、FPGA技术在嵌入式系统设计与开发中的应用1. 快速原型开发FPGA技术可以提供快速的原型开发平台。
设计人员可以使用HDL （Hardware Description Language，硬件描述语言）如Verilog或VHDL编写嵌入式系统的逻辑电路，并通过FPGA工具链将其综合为FPGA可接受的二进制配置文件。
这样，设计人员可以在相对较短的时间内验证系统的功能和性能。
2. 灵活性与可重构性FPGA技术允许设计人员在硬件平台上灵活地重新编程和更改逻辑电路。
这意味着设计人员可以在嵌入式系统的开发过程中进行迭代和调试，以满足不断变化的需求。
与传统的ASIC设计相比，FPGA技术大大缩短了设计和开发周期。
3. 高性能与低功耗由于可以根据具体功能需求对FPGA进行高度优化，因此基于FPGA技术的嵌入式系统可以实现高性能和低功耗的平衡。
设计人员可以通过优化逻辑电路、使用流水线技术以及利用FPGA内部资源等方法来提升系统性能，并在功耗控制上进行权衡。
嵌入式系统BOOTLOADER的设计与实现
系统加电或复位后， 所有的 Ｃ Ｕ 通常都从某个由 Ｃ Ｕ制造商预先安排的 Ｐ Ｐ 地址上取指令。比如，基于 Ａ Ｍ７Ｄ ｃｒ 的 Ｃ Ｕ 在复位时通常都从地址 Ｒ Ｔ ＭＩ ｏ ｅ Ｐ ０００００ ｘ００００取它的第一条指令。 而基于 Ｃ Ｕ 构建的嵌入式系统通常都有某种 Ｐ
最后，对已经实现的 Ｂ Ｏ Ｌ Ａ Ｅ Ｏ Ｔ Ｏ Ｄ Ｒ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；Ｂ Ｏ Ｌ Ａ Ｅ ； ＬＮ Ｘ Ｏ Ｔ Ｏ Ｄ Ｒ Ｕ ＩＵ Ｃ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ
ｏ ｅ ｉ ｎ ａ ａ ｕ ｄ ｓ ｍ ｄ Ｖｒ ａｙｅ ｅ ｙ ｅｅ ｔ ｎｃ ｖｃ ｄｓ ｎｄ ｍ ｎｆ ｔ ｅ ｔ ａ ｉａ ｅ ｂｄｅ ｉｕｌ ｖ ｒ ｌｃｒ ｉ ｄ ｉｅ ｅ ｇｅ ａｄ ｕ ｃ ｒ ｏ ｙ ｎ ｅｄｄ ｔ ｌ Ｒ ｓ ｉｔ ｗ ｒ ｒ ｒ ｈ ｒ ｏ ｅ ｔ ｅ ｏ ｍ ａ ｒｎ ｗ ｎ ｈ ｕ ｈ ｅ Ｂ ｌ ｓ ｓｅ Ｂ ｉ ｙ Ｌ ｙ ｔｍ． ｒ ｆ ， ＯＯＴ ＯＡＤＥ ｉ ｔ ｆｓ ｓｆ ａ ｐ ｇａ ｔ ｔ ｓ ｅ ａ
ｔ ｎ ｎｓ ｓｍ ａｖ ｅ ｔｅ ｒｖｍ ｎ ｉ ｔ ｆ ｕｅ ｈ ｂｉ ｕ ｏ ｅ ｉ ｏ ｈ ｉ ｐｏｅ ｅｔ ｈ ｕ ｒ． ｅ ｒ ｇ ｐ ｄ ｃ ｎ ｍ ｎ ｔ ｅ Ｋ ｙ ｏｄ Ｂ Ｏ Ｌ Ａ Ｅ ， ｅｄｄ ｔ Ｕ ＬＮ Ｘ ｅｗ ｒ ： Ｔ Ｏ Ｄ Ｒ ｅ ｂｄｅ ｓｓ ｍ， ＩＵ Ｏ ｍ ｙｅ Ｃ
采用的 Ｓ Ｃ ４ ０ ３ ４Ｂ 处理器就是 Ａ Ｍ７ Ｄ 的内核 。 Ｒ Ｔ ＭＩ
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
嵌入式系统启动与加载过程(BootLoader)的原理及实现
上海交通大学硕士学位论文嵌入式系统启动与加载过程（BootLoader）的原理及实现姓名：郑进申请学位级别：硕士专业：计算机技术指导教师：张爱新20090201嵌入式系统启动与加载过程（BootLoader）的原理及实现摘要随着后PC时代的来临，很多原先基于PC才能实现的应用都逐渐向嵌入式设备发展，这得益于集成电路及芯片技术的跨越式发展。
目前嵌入式设备的处理器性能和集成度使低功耗、高性能、小型化成为不可避免的趋势，针对这些技术的发展使嵌入式开发越来越受到重视。
但随之而来也存在诸多需要提升的技术面，如缺乏统一的硬件架构标准使得软件也变得难以统一。
本文通过描述复杂嵌入式系统的加载启动过程并给出完整的软件实现来解决不同系统的不同启动方案，这样能实现基于硬件的改变而使软件尽可能少的修改代码以提高通用性，提高开发效率。
本文首先从介绍嵌入式系统概念和软硬件构成框架、嵌入式系统的启动过程入手，再阐述从芯片内部到外部的整个启动流程，最后针对不同产品或硬件需特殊处理的特点，以当今最流行的手持嵌入式设备中需要USB接口为例，实现基于USB接口的“启动加载”模式和“下载”模式的过程，重点阐述了如何实现这些主要功能和实现时对遇到技术难点的解决办法。
在整个项目过程中，我主要参与嵌入式系统启动过程的软件实现。
针对不同的项目所采取不同的硬件部件，按照本文所提供的实现过程而仅修改必要的XLoader、USB BootLoader硬件相关的配置参数，能简便快捷的完成系统的加载和启动，基于通用型USB BootLoader的正常运行从而使剩下的嵌入式操作系统移植、开发、调试等工作变得快速而高效。
关键词：嵌入式系统；启动过程；Bootloader4AbstractExcept the normal bootup process,The core chipset usually may provide a way to allow the system to communicate with external devices.This is an essential function to facilitate the development process and more for the maintenance work later on.Actually, This so called “second bootup process” is mandatory for versatile processor platform.Most of the key functions during development stage are implemented by this way.There is no mass flash memory burning during the development process.So for a new develop board should have the way to operating the flash memory freely.This time we need this “second bootup process” to finish these functions.And more we also can use it to implement something like initialize USB/Ethernet card ports so as we can transport bulk firmware freely and quickly.If only based on UART transport.There must be over hours for only coulpe of mega bytes transportation.This is really unacceptable for reflashing with high frequency during the development stage.Key words: Embedded System, Boot procedure;Ⅱ上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
嵌入式BootLoader的设计与实现
性价比、体积、能耗都要求严格场景的应用[1][6]。
嵌入式系统软件，可分为四个层次：Bootlader、板级支持包、嵌入式操作系统、用户应用程序。
其中Bootloader和板级支持包严重依赖于系统硬件，是整个嵌入式系统开发中的难点和关键点。
本文针对这个难点做了相应的研究，探讨了嵌入式BootLoader的实现方法。
1 嵌入式文件系统和BootLoader常用的嵌入式文件系统有ROMFS、CRAMFS、UC/FS、RFS、JFFS/JFFS2、YAFFS等。
其中YAFFS可读写日志文件系统是专为NANDFlash设计的，其提供了直接访问文件系统的API自带NAND驱动，操作速度快，内存占用少，具备错误检测和坏块处理，采用多策略混合的垃圾回收算法，并提供跨平台支持。
Bootloader是嵌入式微处理器上电运行的第一段程序，主要完成硬件核心初始化、内存映射初始化、操作系统运行环境准备等，其位于整个存储区域最前端，如图1所示。
通常BootLoader有两种模式：（1）启动模式：BootLoader从非易失存储器件上将操作系统镜像加载到随机存储器RAM中解压运行；（2）下载模式：BootLoader通过串口或网络从主机下载文件，此模式一般用于系统开发调试。
由于CPU架构和板级结构种类庞杂，Bootloader不可能实现完全的统一。
[2][7][10]但实现一个具有最大通用性，只需修改少量代码就可以在不同架构上运行的Bootloader则完全可U-Boot源码中没有对NAND Flash启动和YAFFS文U-boot是目前嵌入式平台上具备最广泛通用性和应用最多的开源Bootloader[3][8]。
U-Boot的启动可分成两个阶段：（1）用汇编实现的CPU体系结构初始化。
（2）用C语言实现的板级初始化、用户交互功能和操作系统加载。
其[4][9]3 NAND Flash的特点和操作NAND和NOR是当前两种主流的非易失闪存技术。
嵌入式系统的BootLoader技术
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• 2）为加载阶段2准备RAM空间
– 必须确保所安排的地址范围的的确确是可读写的RAM 空间
1. 先保存memory page一开始两个字的内容 2. 向这两个字中写入任意的数字 3. 立即将这两个字读回，若不是，则说明不是一段有效
的RAM空间 4. 再向这两个字写入任意数字 5. 立即将这两个字读回。若不是，则说明不是有效的
.text .globl _trampoline _trampoline:
bl main /* if main ever returns we just call it again */ b _trampoline
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2.2 Boot Loader阶段2介绍
– 设置堆栈指针是为了执行C语言代码做好准备
– 通常可以设置为sp = stage2_end – 4
– 此时， Boot Loader 的 阶段2 可执行映象刚 被拷贝到 RAM 空间时的系统内存布局，如下 图：
• 5）跳转到阶段2的C入口点
– 修改PC寄存器为合适地址来实现
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1. Boot Loader程序的基本概念
• 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 Boot Loader 两大部分。
– 2. Linux 内核。
• 在 linux内核启动前， boot loader 会将存储介 质中的 initrd 文件加载到内存，内核启动时会在 访问真正的根文件系统前先访问该内存中的 initrd 文件系统。