基于ARM的嵌入式系統(tǒng)Bootloader啟動(dòng)流程分析

一.引言：
對(duì)于PC機(jī)，其開機(jī)后的初始化處理器配置、硬件初始化等操作是由BIOS（Basic Input /Output System）完成的，但對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來說，出于經(jīng)濟(jì)性、價(jià)格方面的考慮一般不配置BIOS，因此我們必須自行編寫完成這些工作的程序，這就是所需要的開機(jī)程序。而在嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒有像 BIOS 那樣的固件程序，啟動(dòng)時(shí)用于完成初始化操作的這段代碼被稱為Bootloader程序，因此整個(gè)系統(tǒng)的加載啟動(dòng)任務(wù)就完全由Bootloader 來完成。簡單地說，通過這段程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖（有的CPU沒有內(nèi)存映射功能如S3C44B0），從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境設(shè)定在一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核、運(yùn)行用戶應(yīng)用程序準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。Bootloader依賴于實(shí)際的硬件和應(yīng)用環(huán)境，因此要為嵌入式系統(tǒng)建立一個(gè)通用、標(biāo)準(zhǔn)的Bootloader是非常困難的。Bootloader也依賴于具體的嵌入式板級(jí)設(shè)備的配置，這也就是說，對(duì)于兩塊不同的嵌入式主板而言，即使它們是基于同一 CPU 而構(gòu)建，要想讓運(yùn)行在一塊板子上的 Bootloader 程序也能運(yùn)行在另一塊板子上，通常都需要修改 Bootloader 的源程序。

二.啟動(dòng)流程
系統(tǒng)加電復(fù)位后，幾乎所有的 CPU都從由復(fù)位地址上取指令。比如，基于 ARM7TDMI內(nèi)核的CPU在復(fù)位時(shí)通常都從地址 0x00000000處取它的第一條指令。而以微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)通常都有某種類型的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備（比如EEPROM、FLASH等）被映射到這個(gè)預(yù)先設(shè)置好的地址上。因此在系統(tǒng)加電復(fù)位后，處理器將首先執(zhí)行存放在復(fù)位地址處的程序。通過集成開發(fā)環(huán)境可以將Bootloader定位在復(fù)位地址開始的存儲(chǔ)空間內(nèi)，因此Bootloader是系統(tǒng)加電后、操作系統(tǒng)內(nèi)核或用戶應(yīng)用程序運(yùn)行之前，首先必須運(yùn)行的一段程序代碼。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來說，有的使用操作系統(tǒng)，也有的不使用操作系統(tǒng)，比如功能簡單僅包括應(yīng)用程序的系統(tǒng)，但在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)都必須執(zhí)行Bootloader，為系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)備好軟硬件運(yùn)行環(huán)境。
系統(tǒng)的啟動(dòng)通常有兩種方式，一種是可以直接從Flash啟動(dòng)，另一種是可以將壓縮的內(nèi)存映像文件從Flash（為節(jié)省Flash資源、提高速度）中復(fù)制、解壓到RAM，再從RAM啟動(dòng)。當(dāng)電源打開時(shí)，一般的系統(tǒng)會(huì)去執(zhí)行ROM（應(yīng)用較多的是Flash）里面的啟動(dòng)代碼。這些代碼是用匯編語言編寫的，其主要作用在于初始化CPU和板上的必備硬件如內(nèi)存、中斷控制器等。有時(shí)候用戶還必須根據(jù)自己板子的硬件資源情況做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與修改。
系統(tǒng)啟動(dòng)代碼完成基本軟硬件環(huán)境初始化后，對(duì)于有操作系統(tǒng)的情況下，啟動(dòng)操作系統(tǒng)、啟動(dòng)內(nèi)存管理、任務(wù)調(diào)度、加載驅(qū)動(dòng)程序等，最后執(zhí)行應(yīng)用程序或等待用戶命令；對(duì)于沒有操作系統(tǒng)的系統(tǒng)直接執(zhí)行應(yīng)用程序或等待用戶命令。
啟動(dòng)代碼是用來初始化電路以及用來為高級(jí)語言寫的軟件做好運(yùn)行前準(zhǔn)備的一小段匯編語言，在商業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，啟動(dòng)代碼部分一般被稱為板級(jí)支持包，英文縮寫為BSP。它的主要功能就是：電路初始化和為高級(jí)語言編寫的軟件運(yùn)行做準(zhǔn)備。系統(tǒng)啟動(dòng)流程如圖1所示，主要的過程如下：

1.啟動(dòng)代碼的第一步是設(shè)置中斷和異常向量。
2.完成系統(tǒng)啟動(dòng)所必須的最小配置，某些處理器芯片包含一個(gè)或幾個(gè)全局寄存器，這些寄存器必須在系統(tǒng)啟動(dòng)的最初進(jìn)行配置。
3.設(shè)置看門狗，用戶設(shè)計(jì)的部分外圍電路如果必須在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)初始化，就可以放在這一步。
4.配置系統(tǒng)所使用的存儲(chǔ)器，包括Flash，SRAM和DRAM等，并為他們分配地址空間。如果系統(tǒng)使用了DRAM或其它外設(shè)，就需要設(shè)置相關(guān)的寄存器，以確定其刷新頻率，數(shù)據(jù)總線寬度等信息，初始化存儲(chǔ)器系統(tǒng)。有些芯片可通過寄存器編程初始化存儲(chǔ)器系統(tǒng)，而對(duì)于較復(fù)雜系統(tǒng)通常集成有MMU來管理內(nèi)存空間。
5.為處理器的每個(gè)工作模式設(shè)置棧指針，ARM處理器有多種工作模式，每種工作模式都需要設(shè)置單獨(dú)的?？臻g。
6.變量初始化，這里的變量指的是在軟件中定義的已經(jīng)賦好初值的全局變量，啟動(dòng)過程中需要將這部分變量從只讀區(qū)域，也就是Flash拷貝到讀寫區(qū)域中，因?yàn)檫@部分變量的值在軟件運(yùn)行時(shí)有可能重新賦值。還有一種變量不需要處理，就是已經(jīng)賦好初值的靜態(tài)全局變量，這部分變量在軟件運(yùn)行過程中不會(huì)改變，因此可以直接固化在只讀的Flash或EEPROM中。
7.數(shù)據(jù)區(qū)準(zhǔn)備，對(duì)于軟件中所有未賦初值的全局變量，啟動(dòng)過程中需要將這部分變量所在區(qū)域全部清零。
8.最后一步是調(diào)用高級(jí)語言入口函數(shù)，比如main函數(shù)等。

三.程序分析
下面根據(jù)實(shí)際經(jīng)過測(cè)試的代碼詳細(xì)講述系統(tǒng)的啟動(dòng)過程。
.text/*將此操作符開始的代碼編譯到代碼段或代碼段子段中*/
/* 集成開發(fā)環(huán)境（IDE）可以通過鏈接腳本文件將下面的語句定位在零起始地址，系統(tǒng)上電后CPU從此處開始執(zhí)行*/
ENTRY:
b ResetHandler /*跳至ResetHandler，此句被定位在零起始地址*/
/*除用戶模式外的其他6種模式稱為特權(quán)模式。特權(quán)操作模式主要處理異常和監(jiān)控調(diào)用（有時(shí)稱為軟件中斷），它們可以自由的訪問系統(tǒng)資源和改變模式。特權(quán)模式中除系統(tǒng)模式以外的5種模式又稱為異常模式，下面的代碼用于出現(xiàn)異常時(shí)CPU就會(huì)根據(jù)以下的語句自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的異常處理程序處*/
b HandlerUndef /* handlerUndef */
b HandlerSWI /* SWI interrupt handler */
b HandlerPabort /* handlerPAbort */
b HandlerDabort /* handlerDAbort */
b . /* handlerReserved */
b HandlerIRQ
b HandlerFIQ
… ...
… ...
ResetHandler: /*上電后跳轉(zhuǎn)到此處開始執(zhí)行*/
Ldrr0,=WTCON /*禁止看門狗*/
ldr r1,=0x0
str r1,[r0]
ldr r0,=INTMSK /*屏蔽所有中斷請(qǐng)求 */
ldr r1,=0x07ffffff
str r1,[r0]