嵌入式系統(tǒng)引導技術研究

摘  要：以PowerPC8xx系列處理器為例，通過對此類處理器的引導模式、引導代碼的編寫和調試，以及如何引導操作系統(tǒng)執(zhí)行等問題的研究，探索嵌入式系統(tǒng)引導過程的一種解決方案。

關鍵詞：MPC860 嵌入式操作系統(tǒng) 存儲映射 引導

　　嵌入式系統(tǒng)應用開發(fā)不同于PC機，其開發(fā)過程同時涉及軟硬件，需要將硬件平臺的設計、操作系統(tǒng)以及上層應用開發(fā)綜合考慮；而PC機應用開發(fā)建立在已經(jīng)定制好的硬件和操作系統(tǒng)平臺上，開發(fā)者只需調用系統(tǒng)提供的接口和服務完成相應的功能。由于應用和成本約束，嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺需根據(jù)應用量身定制，通常所用的MPU、存儲器、外圍設備等有多種選擇余地，而且軟件調試技術特殊，使平臺的引導設計變得十分復雜。因此，對于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者而言，有必要深入分析系統(tǒng)引導過程，將軟硬件開發(fā)有效地綜合，即針對不同的硬件平臺和軟件運行模式，正確地進行底層上電初始化，進而引導操作系統(tǒng)執(zhí)行。這個問題的核心在于對系統(tǒng)的引導模式的研究。

　　嵌入式系統(tǒng)的啟動代碼一般由兩部分構成：引導代碼和操作系統(tǒng)執(zhí)行環(huán)境的初始化代碼。其中引導代碼一般也由兩部分構成：第一部分是板級、片級初始化代碼，主要功能是通過設置寄存器初始化硬件的工作方式，如設置時鐘、中斷控制寄存器等，完成內存映射、初始化MMU等；第二部分是裝載程序，其功能是將操作系統(tǒng)和應用程序的映像從只讀存儲器裝載或者拷貝到系統(tǒng)的RAM中，并跳轉到相應的代碼處繼續(xù)執(zhí)行。操作系統(tǒng)執(zhí)行環(huán)境的初始化代碼主要由硬件抽象層HAL代碼、設備驅動程序初始化代碼和操作系統(tǒng)執(zhí)行體初始代碼三部分構成。

　　本文以摩托羅拉MPC860處理器和具有自主知識產(chǎn)權的操作系統(tǒng)CRTOSII為例，研究嵌入式系統(tǒng)引導程序的設計和實現(xiàn)技術。嵌入式軟件的開發(fā)涉及調試模式和固化模式兩種運行狀態(tài)。調試模式主要解決如何在目標板上調試正確性未經(jīng)驗證的程序的問題；而固化模式主要解決如何引導已調試成功的程序的問題。相應地，引導代碼的設計應針對兩種模式分別進行。

1 調試模式的系統(tǒng)引導

1．1 調試模式引導代碼的作用

1 調試模式的系統(tǒng)引導

1．1 調試模式引導代碼的作用

　　一個完整的嵌入式軟件的解決方案大致包括四方面：①硬件平臺配置初始化和系統(tǒng)引導代碼；②操作系統(tǒng)軟件執(zhí)行環(huán)境的初始化代碼；③操作系統(tǒng)；④應用程序。

　　在上述四方面中，引導代碼是本研究中力求解決的問題。事實上，板級初始化、操作系統(tǒng)硬件抽象層、設備驅動程序三者整合到一起，就構成了嵌入式系統(tǒng)中BSP（板級支持包）的主體。BSP的代碼與具體的目標板硬件設計相關，同時也與應用程序的設計要求相關，針對應用程序提出的不同要求，例如不同設備驅動程序、不同的中斷源個數(shù)、不同的中斷優(yōu)先級安排、是否啟用MMU機制等，BSP部分應作出相應的安排。上述第四部分的應用程序是建立在前三部分正確運行的基礎上，并需反復調試。

　　由上述分析可知，BSP和應用程序代碼的正確性通過一次的編寫不能得到保證，需要經(jīng)歷“調試——修改——調試”反復的過程，因此需要建立一個可靠的調試環(huán)境。該環(huán)境建立的基礎正是調模式下的引導代碼。

1．2 引導代碼的調試方法

　　本研究實驗采用一種稱作BDM（Background Debug Mode）的OCD（On Chip Debuging）調試技術。BMD是由Motorola公司提供的一種硬件調試方法，類似于JTAG調試。它利用處理器提供的調試端口調試。MPC860采用一種特殊的BDM——EPBDM，其運作相當于用處理器內嵌的調試模塊接管中斷及異常處理，用戶通過設置調試許可寄存器（debug enable register）指定哪些中斷或異常發(fā)生后處理器直接進入調試狀態(tài)，而不是操作系統(tǒng)的處理程序。進入調試狀態(tài)后，內嵌調試模塊向外部調試通信接口發(fā)出信號，通知一直在通信接口監(jiān)聽的主機調試器，然后調試器便可通過調試模塊使處理器執(zhí)行系統(tǒng)指令（相當于特權態(tài)）。由于專用的片級調試接口裝置（BDI2000）的支持，不需要目標端配備相應的調試代理（Monitor）軟件。

1．3 調試模式引導代碼實現(xiàn)

　　調試模式引導代碼的核心在于使用BDM協(xié)議解析微指令，通過調試接口向MPC860發(fā)送信號，初始化調試環(huán)境。由于MPC860采用RISC結構，所以初始化部分主要是設置處理器內部寄存器，這個過程包括三方面內容：

　?。?）對處理器相關寄存器進行初始化：主要是關于處理器狀態(tài)的寄存器（MSR、SRR1、SIUMCR等），中斷、時鐘相關模塊（SYPCR、SCCR、PLPRCR、TBSCR等）。

　?。?）對BDM調試端口的初始化：包括調試使能寄存器DER、支持指令斷點的寄存器ICTRL等。

　?。?）對片級、板級內存映射的初始化：包括內部內存映射寄存器IMMR，內存控制相關寄存器OR0～0R7、BR0～BR7等。它們主要功能是地址映射、片選信號選擇、內存控制器選擇（UMPA、UMPB、GPCM）。如果選擇UPM，由于UPM控制采用微指令方式，而這些微指令根據(jù)內存的不同（SRAM、SDRAM、DRAM等），需要設計人員自行編寫代碼寫入MPC860內部存儲區(qū)相應位置。對于需要實時刷新的存儲體（如SDRAM），還需設置刷新控制微指令。

　　上述初始化代碼得以執(zhí)行，一方面依賴于目標機MPC860提供的調試接口支持，另一方面也需要宿主機GDB的支持。對于宿主機系統(tǒng)，可能選擇Linux，在其下配置GBD；也可以選擇Windows2000，使用可視化的調試工具LambdaTools GDB（Coretek公司產(chǎn)品，不支持硬件斷點），或者使用BDI2000（支持硬件斷點的仿真器）。不管使用哪種調試工具，都可以使用該調試器能夠識別的腳本文伯存放初始化指令。這些腳本在功能上是等效的，指令的描述一般都采用如下格式：

　　操作碼 寄存器 數(shù)值

　　如在嵌入式Linux下SDRAM初始化的代碼片斷為：

mpcbdm spr MDR=0x1FF77C35

mpcbdm spr MDR=0xEFEABC34

mpcbdm spr MDR=0x1FB57C35

……

而在Windows2000下使用BDI2000代碼為：

WUPM 0x00000005 0x1FF77C35

WUPM 0x00000006 0xEFEABC34

WUPM 0x00000007 0x1FB57C35

……

　　腳本描述的指令執(zhí)行后，MPC860按照預先的設想進入一個可以正常工作的狀態(tài)，可以用裝載器將程序下載到SDRAM中調試執(zhí)行。這個程序主要包含中斷表、操作系統(tǒng)和應用程序映象兩部分，其格式可以為bin、elf、coff等。圖1給出了下載完畢后的內存映象。

　　當程序下載完成后，PC指針指向Image代碼段（text段）的首條指令，可以利用調試器提供的命令開始調試。

2 固化模式的系統(tǒng)引導

2．1 概述

　　經(jīng)過調試后，OS和上層應用程序構成的Image的正確性得到了保證，但是這個Image不能自主運行。因為調試模式下，是通過BDM接口初始化處理器，并且通過BDM接口將程序下載到RAM中去運行。實際應用環(huán)境中，Image必須被存儲在非易失性存儲器中，如Flash、EPROM等，本文選擇Flash。系統(tǒng)啟動時，處理器執(zhí)行一段引導程序替代調試模式下的調試腳本和裝載程序的功能。啟動代碼主要考慮以下幾個問題：

　?。?）系統(tǒng)上電和復位時程序如何執(zhí)行，需要初始化哪些寄存器，重點仍然是內存映射相關部分；

　　（2）啟動代碼為幾部分，每部分代碼應該全部還是部分放到Flash或者RAM中執(zhí)行；

　?。?）在時間效率和空間效率的折衷。

2．2 上電初始化

　　在兩種引導模式下，上電初始化總是必要步驟。它涉及各種核心寄存器初始化、地址映射等問題的處理。

2．2．1 地址映射

　　MPC860的復位是通過一種異常中斷來處理的（可理解為CPU自己產(chǎn)生的中斷），向量號為0x100。異常向量表的基地址加上復位向量號即為復位向量，也就是CPU開始執(zhí)行指令的地方。異常向量表在內存空間的可能位置有兩個：0x0000000和0xFFF00000。所以PowerPC的復位向量為0x100或0xFFF00100。假設復位向量為0xFFF00100，系統(tǒng)有128K字節(jié)的Flash，并準備把它映射到CPU內存空間0xFE000000開始的地址。MPC860內部的CS0片選信號是默認的系統(tǒng)啟動片選信號，已被連接到Flash的片選線上。上電時，內存控制器會忽略所有參與征選邏輯的地址線的高17位，CS0總是有效。這樣，F(xiàn)lash總會被選中，CPU從Flash偏移0x100的地方取指令，此時CPU的4GB內存空間的每個128KB的塊都被映射到Flash。

2．2．2 寄存器初始化

　　固化方式下的大致相同，但是不再采用腳本文件編寫，而是直接將一段MPC860匯編程序存放在一個start.s文件中。與調試模式初始化程序一樣，主要完成以下處理：

（1）初始化CPU核心寄存器；

（2）設置機器狀態(tài)寄存器；

（3）禁止ceche；

（4）初始化IMMR；

（5）初始化系統(tǒng)接口單元（SIU）；

（6）初始化時鐘和中斷控制寄存器；

（7）初始化通信處理機（CPM）；

（8）初始化內存控制器（UPM）；

（9）初始化C語言堆棧。

2．2．3 地址空間重映射

　　上電時，由于只有一個片選信號有效，它選通了Flash，而RAM和其它存儲設備地址無效，需要經(jīng)過地址空間重映射才能訪問。MPC860的地址空間重映射是通過設置0R0～OR7、BR0～BR7這十六個寄存器完成的。由于上電時4GB的地址空間均被Flash占用，所以0xFFF00100這個地址仍在Flash的偏移0x100處。在寄存器初始化過程中，需要把SDRAM、MPC860內部寄存器空間以及外設等也映射進來。在進行這些操作前，需要把Flash的位置固定下來，例如映射到0xFE000000，這個操作是通過設置OR0和BR0寄存器實現(xiàn)的。但在寫OR0時，CPU仍然在0xFFF00000的那一塊取指令，而Flash即將被映射到0xFE000000塊，所以程序必定出現(xiàn)“跑飛”的現(xiàn)象，必須對程序計數(shù)器（PC）進行調整，然而PC指針對程序員是不可見的，必須用跳轉指令修改它。在Flash地址映射完成后，通過設置OR1～OR7、BR1～BR7可以完成對所有存儲器空間的映射，各種存儲設備可映射在CPU地址空間中的任意位置，但相互之間不能沖突。

2．3 引導代碼的構成和運行

　　系統(tǒng)啟動所涉及的代碼由寄存器初始化匯編文件start.s、一個Load程序以及操作系統(tǒng)與應用程序的Image三部分構成，引導代碼則只包含start.s和Load程序。Load程序的作用是將操作系統(tǒng)與應用程序的構成的Image從Flash拷貝到SDRAM中，并跳轉到Image的首條指令。

　　調試完成后的Image有兩種運行模式：

　　Flash-resident image:Load程序僅僅 把Image中的數(shù)據(jù)段（data+bss）復制到RAM中，代碼段（text）在Flash中直接運行。

　　Flash-based image:Load程序把Image完全搬到RAM中執(zhí)行，包括image中的代碼段（text）和數(shù)據(jù)段（data+bss）。

　　圖2和圖3分別描述了兩種Image的存貯映象，以及從Flash到SDRAM的裝載過程。

2．4 時間效率和空間效率上的折衷

　　在嵌入式系統(tǒng)的應用過程中，針對不同的應用環(huán)境，對時間效率和空間效率有不同的要求，基于MPC860的啟動代碼對此有比較充分的解決方案。

2．4．1 時間限制

　　時間限制主要包括兩種情況：系統(tǒng)要求快速啟動和系統(tǒng)啟動后要求程序高速執(zhí)行。

　　對于要求快速啟動的系統(tǒng)，應該使在Flash中執(zhí)行的初始化程序盡量簡短，諸如循環(huán)語句之類的語法應該盡量減少，盡快將程序裝載到RAM中執(zhí)行，這樣做的原因在于Flash的訪存時間與RAM的訪存時間存在數(shù)量級上的差距。但是必須根據(jù)代碼量以及存儲器的特片進行權衡。因為，雖然RAM中捃速度快，但是將Flash中的代碼復制到RAM中的操作會帶來一定的開銷。由于可見，啟動時間由Flash中引導代碼的運行時間、代碼從Flash拷貝到RAM的時間以及RAM中后續(xù)啟動代碼的運行時間三部分組成。啟動時間的最小值是這三者和的最小值。

　　對于啟動后要求程序高速執(zhí)行的系統(tǒng)，主要受處理器、存儲器特性以及I/O速度等的影響。在軟件方面，應該采用了上述Flash-based image方式，使得代碼段在RAM中運行，提高運行速度。

2．4．2 空間限制

　　空間限制主要包括兩種情況：Flash等非易失性存儲空間有限和RAM等易失性空間有限兩種系統(tǒng)。

　　對于采用高性能非易失性存儲器的系統(tǒng)，出于成本因素，F(xiàn)lash等存儲設備不能太大，然而它又是系統(tǒng)存放啟動代碼和操作系統(tǒng)Image的地方。在存放Image時，可以先使用gzip等壓縮工具進行壓縮，在將Image加載到RAM時采用逆向的解壓縮算法解壓。同時，出于實時性考慮，壓縮算法不能過于復雜，否則壓縮解壓過程消耗大量時間將與啟動時間限制發(fā)生嚴重沖突。采用壓縮策略并不一定會增加系統(tǒng)啟動時間，因為壓縮解壓過程雖然消息了一定的時間，但是由于Image體積減小，由Flash復制到RAM中的時間相應減少，有可能反而減少了時間消耗。

　　對于采用高性能RAM的系統(tǒng)，同樣出于成本因素，RAM空間有一定限制，此時一般采用前文描述的Flashresident image方式：Load程序把Image中的數(shù)據(jù)段復制到RAM中，代碼段在Flash中運行。折衷同樣存在，因為code段在低速的Flash中運行，在節(jié)省空間的同時，卻犧牲了時間。

　　本文介紹了基于嵌入式處理器的操作系統(tǒng)引導方法，重點研究嵌入式系統(tǒng)的引導模式以及不同類別的引導方法。以在MPC860C處理器上引導CRTOSII操作系統(tǒng)為例，闡述了調試模式和固化模式下引導代碼的構成、作用以及執(zhí)行方式，并對不同引導模式下的時空效率的折衷進行了分析。最終，借助BDI2000仿真器對編寫的引導代碼進行調試，成功實現(xiàn)了調試模式和固化模式下操作系統(tǒng)的引導。后續(xù)工作包括：繼續(xù)研究在不同硬件平臺上的操作系統(tǒng)引導方法，例如最流行的ARM、X86系列；在同一平臺上，可以研究不同操作系統(tǒng)的啟動方法，例如嵌入式Linux、Vxworks、WinCE等。同時，可以引入數(shù)字模型對時間、空間性能進行量化分析，以便在不同環(huán)境下采取比較合適的引導方案。