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ARM7TDMI-S在嵌入式系統中的Bootloader

發布時間:2007/8/15 0:00:00 訪問次數:569

引 言
芯片的Bootloader代碼(即啟動代碼)就是芯片復位后進入操作系統之前執行的一段代碼,主要是為運行操作系統提供基本的運行環境,如初始化CPU堆棧、初始化存儲器系統等。Bootloader代碼與CPU芯片的內核結構、具體芯片和使用的操作系統等因素有關。其功能有點類似于PC機的BIOS(Basic Input/Output System,基本輸入輸出系統)程序,但是由于嵌入式系統的軟硬件都要比PC機的簡單,所以它的Bootloader代碼要比BIOS程序簡單得多。
嵌入式系統被定義為:以應用中為心,以計算機技術為基礎,軟件硬件可裁剪,適用于系統對功能、可靠性、成本、何種、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式系統的核心部件是嵌入式處理器。隨著嵌入式系統在人們日常生活中的廣泛運用,嵌入式處理器得到前所未有的飛速發展。基于ARM核的嵌入式處理器芯片種類繁多。由于ARM公司只設計內核的不生產具體的芯片,即便是基于同一種內核,不同廠家生產的芯片差別很大,因此不易編寫出統一的Bootloader代碼。ARM公司針對這一問題而采取的策略是,不提供完事的Bootloader代碼(ARM公司的開發工具ADS提供了一些功能代碼),Bootloader代碼不足的部分由芯片廠商提供或者由用戶自己編寫。飛利浦公司沒有提供LPC210x系列的Bootloader代碼,所以用戶只能自己編寫Bootloader代碼。
ARM7TDMI-S和LPC210x
ARM7TDMI-S是目前比較低端的ARM核—ARM核不是芯片,它與其它部件如RAM、ROM、片內外設組合在一起才構成實際的芯片。ARM7是用于對成本和功耗都非常敏感的消費應用的低價位、低功耗的32位核。其主要特點如下:馮.諾依曼結構、3段流水線、0.9MIPS/MHz;非常低的功耗;嵌入式ICE-RT(In Circuit Emulation-Real Time,實時在線仿真)邏輯。
LPC2104/2105/2106基于一個支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S內核,并帶有128KB的高速Flash存儲器,128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構,使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。由于LPC2104/2105/2106具有非常小的尺寸和極低的功耗,它們非常適合于那些將小型化作為主要要求的應用,例如存儲取控制和POS機。帶有寬范圍的串行通信接口、片內多達64KB的SRAM,由于具有大的緩沖區和強大的處理器能力,它們非常適合于通信網關和協議轉換器、軟件調制解調器、聲音識別以及低端的圖像處理。而多個32位定時器、PWM輸出和32個GPIO,使它們特別適用于工業控制和醫療系統。LPC2106是LPC210x系列的一種,其它兩種為LPC2104/2105。它們都基于ARM7TDMI-S內核。三種芯片唯一的區別就是SRAM的容量大小:LPC2106是64KB,而LPC2104是16KB,LPC2105是32KB。
Bootloader代碼
1 Bootloader代碼的作用
嵌入式系統的資源有限,應用程序通常都是固化在ROM中運行。ROM中的程序執行前,需要對系統硬件和軟件運行環境進行初始化。這些工作是用匯編語言和C語言編寫的Bootloader代碼完成的。在ARM處理器的嵌入式系統中,Bootloader代碼的作用主要有以下幾點:
*初始化CPU各種模式的堆棧和寄存器;
*初始化系統中要使用的各種片內外設;
*初始化目標板;
*引導操作系統。
2 Bootlader代碼設計的一般流程
Bootloader代碼是嵌入式系統中應用程序的開頭部分,它與應用程序一起固化在ROM中,并首先在系統上運行。設計好Bootloader代碼是設計嵌入式程序的關鍵,也是系統能夠正常工作的前提。Bootloader代碼所執行的操作主要信賴于CPU內核的類型,以及正在開發的嵌入式系統軟件中需要使用CPU芯片上的哪些資源。Bootloader代碼的一般流程(即Bootloader代碼應該進行的操作)如圖1所示。
3 基于LPC2104和μC/OS-II是多任務的實時操作系統。針對該款芯片和多任務實時操作系統的Bootloader程序的流程如圖2所示。
關鍵代碼分析
;中斷向量表,給出了CPU芯片出現異常時應該轉去執行的程序地址
Vectors
LDR PC,ResetAddr
LDR PC,UndefinedAddr
LDR PC,SWI_Addr
LDR PC,SWI_Addr
LDR PC,PrefetchAddr
LDR PC,DataAbortAddr
DCD 0xb9205f80
LDR PC,[PC,#-0xff0]
LDR PC,FIQ_Addr
ResetAddr DCD Reset
UndefinedAddr DCD Undefined
SWI_Addr DCD SoftwareInterrupt
PrefetchAddr DCD PrefetchAbort
DataAbortAddr DCD DataAbort
Nouse DCD 0
IRQ_Addr DCD 0
FIQ_Addr DCD FIQ_Handler
;InitStack函數,其功能是初始化CPU各種模式的堆棧
InitSatck
MOV R0,LR ;因芯片模式切換,故將程序返回地址保存至R0,同時在初始化堆棧完成后使用R0返回
MSR CPSR_c,#0xd3 設置管理模式堆棧
LDR SP,StackSvc
MSR CPSR_c,#0xd2 設置中斷模式堆棧
LDR SP,StackIrq
MSR CPSR_c,#0xd1 設置快速中斷模式堆棧
LDR SP,StackFiq
MSR PSR_c,#0xd7 設置中止模式堆棧
LDR SP,StackAbt
MSR CPSR_c,#0xdb 設置未定義模式堆棧
LDR SP,StackUnd
MSR CPSR_c,#0xdf 設置系統模式堆棧
LDR SP,S

引 言
芯片的Bootloader代碼(即啟動代碼)就是芯片復位后進入操作系統之前執行的一段代碼,主要是為運行操作系統提供基本的運行環境,如初始化CPU堆棧、初始化存儲器系統等。Bootloader代碼與CPU芯片的內核結構、具體芯片和使用的操作系統等因素有關。其功能有點類似于PC機的BIOS(Basic Input/Output System,基本輸入輸出系統)程序,但是由于嵌入式系統的軟硬件都要比PC機的簡單,所以它的Bootloader代碼要比BIOS程序簡單得多。
嵌入式系統被定義為:以應用中為心,以計算機技術為基礎,軟件硬件可裁剪,適用于系統對功能、可靠性、成本、何種、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式系統的核心部件是嵌入式處理器。隨著嵌入式系統在人們日常生活中的廣泛運用,嵌入式處理器得到前所未有的飛速發展。基于ARM核的嵌入式處理器芯片種類繁多。由于ARM公司只設計內核的不生產具體的芯片,即便是基于同一種內核,不同廠家生產的芯片差別很大,因此不易編寫出統一的Bootloader代碼。ARM公司針對這一問題而采取的策略是,不提供完事的Bootloader代碼(ARM公司的開發工具ADS提供了一些功能代碼),Bootloader代碼不足的部分由芯片廠商提供或者由用戶自己編寫。飛利浦公司沒有提供LPC210x系列的Bootloader代碼,所以用戶只能自己編寫Bootloader代碼。
ARM7TDMI-S和LPC210x
ARM7TDMI-S是目前比較低端的ARM核—ARM核不是芯片,它與其它部件如RAM、ROM、片內外設組合在一起才構成實際的芯片。ARM7是用于對成本和功耗都非常敏感的消費應用的低價位、低功耗的32位核。其主要特點如下:馮.諾依曼結構、3段流水線、0.9MIPS/MHz;非常低的功耗;嵌入式ICE-RT(In Circuit Emulation-Real Time,實時在線仿真)邏輯。
LPC2104/2105/2106基于一個支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S內核,并帶有128KB的高速Flash存儲器,128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構,使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。由于LPC2104/2105/2106具有非常小的尺寸和極低的功耗,它們非常適合于那些將小型化作為主要要求的應用,例如存儲取控制和POS機。帶有寬范圍的串行通信接口、片內多達64KB的SRAM,由于具有大的緩沖區和強大的處理器能力,它們非常適合于通信網關和協議轉換器、軟件調制解調器、聲音識別以及低端的圖像處理。而多個32位定時器、PWM輸出和32個GPIO,使它們特別適用于工業控制和醫療系統。LPC2106是LPC210x系列的一種,其它兩種為LPC2104/2105。它們都基于ARM7TDMI-S內核。三種芯片唯一的區別就是SRAM的容量大小:LPC2106是64KB,而LPC2104是16KB,LPC2105是32KB。
Bootloader代碼
1 Bootloader代碼的作用
嵌入式系統的資源有限,應用程序通常都是固化在ROM中運行。ROM中的程序執行前,需要對系統硬件和軟件運行環境進行初始化。這些工作是用匯編語言和C語言編寫的Bootloader代碼完成的。在ARM處理器的嵌入式系統中,Bootloader代碼的作用主要有以下幾點:
*初始化CPU各種模式的堆棧和寄存器;
*初始化系統中要使用的各種片內外設;
*初始化目標板;
*引導操作系統。
2 Bootlader代碼設計的一般流程
Bootloader代碼是嵌入式系統中應用程序的開頭部分,它與應用程序一起固化在ROM中,并首先在系統上運行。設計好Bootloader代碼是設計嵌入式程序的關鍵,也是系統能夠正常工作的前提。Bootloader代碼所執行的操作主要信賴于CPU內核的類型,以及正在開發的嵌入式系統軟件中需要使用CPU芯片上的哪些資源。Bootloader代碼的一般流程(即Bootloader代碼應該進行的操作)如圖1所示。
3 基于LPC2104和μC/OS-II是多任務的實時操作系統。針對該款芯片和多任務實時操作系統的Bootloader程序的流程如圖2所示。
關鍵代碼分析
;中斷向量表,給出了CPU芯片出現異常時應該轉去執行的程序地址
Vectors
LDR PC,ResetAddr
LDR PC,UndefinedAddr
LDR PC,SWI_Addr
LDR PC,SWI_Addr
LDR PC,PrefetchAddr
LDR PC,DataAbortAddr
DCD 0xb9205f80
LDR PC,[PC,#-0xff0]
LDR PC,FIQ_Addr
ResetAddr DCD Reset
UndefinedAddr DCD Undefined
SWI_Addr DCD SoftwareInterrupt
PrefetchAddr DCD PrefetchAbort
DataAbortAddr DCD DataAbort
Nouse DCD 0
IRQ_Addr DCD 0
FIQ_Addr DCD FIQ_Handler
;InitStack函數,其功能是初始化CPU各種模式的堆棧
InitSatck
MOV R0,LR ;因芯片模式切換,故將程序返回地址保存至R0,同時在初始化堆棧完成后使用R0返回
MSR CPSR_c,#0xd3 設置管理模式堆棧
LDR SP,StackSvc
MSR CPSR_c,#0xd2 設置中斷模式堆棧
LDR SP,StackIrq
MSR CPSR_c,#0xd1 設置快速中斷模式堆棧
LDR SP,StackFiq
MSR PSR_c,#0xd7 設置中止模式堆棧
LDR SP,StackAbt
MSR CPSR_c,#0xdb 設置未定義模式堆棧
LDR SP,StackUnd
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