嵌入式系统中引导程序的实现

在嵌入式系统的开发过程中，技术难点主要在于系统引导程序的编写，为此本文将详细论述在ARM7基础上开发嵌入式系统时引导程序的实现。

引导加载程序是系统加电后运行的第一段软件代码。当一个微处理器最初启动时，他首先执行预定地址处的指令。通常这个位置是只读内存，其中存放着系统初始化或引导程序。在PC系统中，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中的操作系统BootLoader(比如，LILO和GRUB等)一起组成。BIOS进行CPU初始化、配置其他硬件，并完成硬件检测和资源分配。然后，BIOS判断出哪一个磁盘包含有操作系统，再把硬盘MBR中的Boot Loader读到系统的RAM中，然后将控制权交给操作系统BootLoader。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，并把控制权交给操作系统，再由操作系统引导其他应用程序。

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由BootLoader来完成。比如在一个基于ARM7TDMIcore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。

2 引导程序流程

嵌入式系统的资源有限，程序通常都是固化在ROM中运行。ROM中程序执行前，需要对系统硬件和软件运行环境进行初始化，这些工作由用汇编语言编写的引导程序完成。引导程序是嵌入式程序的开头部分，应与应用程序一起固化在ROM中，并首先在系统上运行。他应包含各模块中可能出现的所有段类，并合理安排他们的次序。写好引导程序是设计好嵌入式程序的关键，系统引导程序所执行的操作依赖于正在开发其软件的系统，一般流程包括：初始化端口，屏蔽中断，把程序拷贝到SRAM中；完成代码的重映射；配置中断句柄，连接到C语言人口，进入应用程序主循环。

3 详细步骤

(1)设置人口指针

引导程序首先必须定义人口指针，而且整个应用程序只有一个入口指针。

(2)设置中断向量

ARM7要求中断向量表必须设置在从。地址开始，连续8X4B的空间。在0x0一Ox000000lc位置放置7条跳转指令，分别实现各种异常处理程序，包括0x00000000：Reset_Handler(复位)，0x00000004：Undefined-Handler(未定义指令错误)，Ox00000008：SWI_Handler(软件中断)，0x0000000C：Prefetch_Handier(预取指令错误)，0x00000010：Abort_Handler(数据存取错误)，0x00000014：保留的中断向量，0x00000018：IRQ_Handier，[page]0x0000001C：FIQ_Handler。

如果ROM定位于0地址，中断向量表包含一系列指令跳转到中断服务程序，否则向量必须被动态初始化。可以在启动程序中添加一段代码，使其在运行时将向量表拷贝到。地址开始的存储器空间。对于各未用中断，使其指向一个只含返回指令的哑函数，以防止错误中断引起系统的混乱。

(3)初始化堆栈和寄存器

程序从Reset_Handler(复位)进入后，先进行相关硬件的初始化操作，如初始化SDRAM，CPU SPEED，InterruptController，UART，Timer等。系统堆栈初始化取决于用户使用了哪些中断，以及系统需要处理哪些错误类型。一般来说管理者堆栈必须设置，如果使用了IRQ中断，则IRQ堆栈也必须设置。如果系统使用了DRAM或其他外设，需要设置相关的寄存器，以确定其刷新频率，数据总线宽度等信息。

(4)初始化存储器系统

有些芯片可通过寄存器编程初始化存储器系统，而对于较复杂系统通常集成有MMU来管理内存空间。

(5)如有必要改变处理器模式、状态

如果应用程序是运行在用户模式下，可在此处将系统改为用户模式并初始化用户堆栈指针。

(6)初始化C语言所需的存储器空间

为正确运行应用程序，在初始化期间应将系统需要读写的数据和变量从ROM拷贝到RAM里；一些要求快速响应的程序，如中断处理程序，也需要在RAM中运行；如果使用Flash，对Flash的擦除和写入操作也一定要在RAM里运行。ARM公司软件开发工具包中的链接器提供了分布装载功能，可以实现这一目的。

(7)呼叫C程序

ARM有两种指令集：16 b Thumb指令集和32 bARM指令集。使用16b的存储器可以降低成本，在这种情况下，Thumb指令集的整体执行速度比ARM 32b指令集快，而且提高了代码密度，所以一般用Thumb编译器将C语言程序编译成16 b的代码。处理器一开始总在ARM状态，可使用BX指令转换到Thumb状态呼叫C程序。要注意的是在用C语言编写嵌入式程序时，要避免使用不能被固化到ROM中的库函数。

4 目标文件的分布装载分析

首先创建一个文本文件，称为分布装载描述文件。他为应用程序的各部分指定装载区间和执行区间。举例如下：

在ARM链接器的命令行里加入“-sCovdescription—file--scl*’或“-scatterdescription-file”，编译链接后，将产生一个分布装载文件。链接器同时产生一组符号，给出每个分布描述文件中命名的区间的长度，装载地址和执行地址。由于链接器和C库都没有将代码从他的装载区间拷贝到执行区间，或创建一个零初始化区域的功能，所以要由应用程序员利用这组符号产生的信息完成这项工作，这是在呼叫C程序之前必须完成的。举例如下；

5 结 语

本文介绍的引导程序已经在SAMSUNG公司的基于ARM7的S3C4510B开发系统上运行并测试通过。还可以在此基础上添加串行通信模块和Flash操作模块，开发系统监控程序，从而实现应用程序的在线升级。