信息與通信BootLoader與設備驅(qū)動

[信息與通信]BootLoader與設備驅(qū)動第一頁，共64頁。4.1嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展

嵌入式軟件的體系結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層、中間件層和應用層，如下圖所示。第二頁，共64頁。驅(qū)動層軟件分為三種類型：板級初始化程序：在系統(tǒng)上電后，初始化系統(tǒng)的硬件環(huán)境。與系統(tǒng)軟件相關的驅(qū)動程序：用于支持操作系統(tǒng)和中間件等系統(tǒng)軟件所需的驅(qū)動程序。與應用軟件相關的驅(qū)動程序：這類驅(qū)動不一定需要與操作系統(tǒng)連接。第三頁，共64頁。4.2BootLoader4.2.1BootLoader概述4.2.2BootLoader的典型結(jié)構(gòu)4.2.3實例分析第四頁，共64頁。4.2.1BootLoader概述4.2BootLoader

BootLoader是系統(tǒng)加電后首先運行的一段程序代碼，其目的是將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，為調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準備好正確的環(huán)境。第五頁，共64頁。BootLoader是依賴于目標硬件實現(xiàn)的，可以從兩個方面來理解：每種嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)都有不同BootLoader.BootLoader還依賴于具體的嵌入式板級硬件設備配置。第六頁，共64頁。1BootLoader的安裝4.2.1BootLoader概述

BootLoader需要放在系統(tǒng)加電后最先取指令的地址上,很多情況下，BootLoader與操作系統(tǒng)內(nèi)核、根文件系統(tǒng)甚至應用程序等都可以燒寫在同一個固態(tài)存儲芯片上的。第七頁，共64頁。2BootLoader的操作模式4.2.1BootLoader概述

大多數(shù)BootLoader都包含兩種操作模式：啟動加載模式和下載模式。啟動加載模式：也稱為自主（Autonomous）模式。在這種模式下，BootLoader從目標機的某個固態(tài)存儲設備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中運行，整個過程中沒有用戶的介入。第八頁，共64頁。下載模式：下載模式是指，目標機上的BootLoader將通過串口或網(wǎng)絡連接等通信手段從宿主機上下載文件，如操作系統(tǒng)的內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)的映像等。第九頁，共64頁。3BootLoader的控制設備和機制4.2.1BootLoader概述串口通信：串口通信最容易實現(xiàn)。BootLoader程序在執(zhí)行時也就可以利用這個簡單實現(xiàn)的串口通信進行I/O操作，與外界交換數(shù)據(jù)和信息。TFTP(網(wǎng)絡)：在BootLoader中實現(xiàn)TFTP協(xié)議，在宿主機上利用TFTP的軟件工具，通過以太網(wǎng)連接來下載文件。第十頁，共64頁。4.2.2BootLoader的典型結(jié)構(gòu)4.2BootLoader

BootLoader的主要任務就是要建立起調(diào)用操作系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)核、運行用戶應用程序所需要的一個良好的軟硬件環(huán)境。這個任務具體包括兩部分的內(nèi)容：

硬件設備初始化建立內(nèi)存空間的映射圖

第十一頁，共64頁。4.2.2BootLoader的典型結(jié)構(gòu)BootLoader的啟動過程

（1）初始化CPU在各種模式下的堆?？臻g設定CPU的內(nèi)存映射初始化各種控制寄存器初始化CPU的外部存儲器設定各外圍設備的基地址第十二頁，共64頁。創(chuàng)建正確的中斷向量表為C代碼執(zhí)行創(chuàng)建ZI(零創(chuàng)建)區(qū)進入到C代碼。在C代碼中繼續(xù)對時鐘、RS232端口進行初始化，然后打開系統(tǒng)中斷允許位。進入到應用代碼中執(zhí)行，執(zhí)行期間響應各種不同的中斷信號并調(diào)用預先設置好的中斷服務程序處理這些中斷。第十三頁，共64頁。4.2.2BootLoader的典型結(jié)構(gòu)BootLoader的啟動過程

（2）整個過程的流程圖第十四頁，共64頁。4.2.2BootLoader的典型結(jié)構(gòu)1堆棧初始化堆棧初始化要處理的事情是為處理器的7種處理器模式(p37)分配堆?？臻g。下面以FIQ模式下的堆棧設置為例進行說明：第十五頁，共64頁。ORRR1,R0,#LOCKOUT|FIQ_MODE;把處理器模式放在R1中;LOCKOUT用來屏蔽中斷位MSRCPSR,R1;改變CPU的CPSR寄存器;進入到指定的FIQ模式MSRSPSR,R2 ;保存前一模式LDRSP,=FIQ_STACK;把FIQ模式下的堆棧起始;值賦給當前的SP ;FIQ_STACK是分配給FIQ;模式堆?？臻g(比如說1K;字節(jié))的起始地址第十六頁，共64頁。4.2.2BootLoader的典型結(jié)構(gòu)2DRAM初始化

DRAM的初始化是根據(jù)系統(tǒng)配置信息決定的。主要的處理內(nèi)容是ROM和RAM基地址的設定、數(shù)據(jù)總線寬度的設定、SDRAM刷新時間的設定等，這些設置可以參照S3C4510B芯片的用戶手冊。第十七頁，共64頁。4.2.2BootLoader的典型結(jié)構(gòu)3設置特殊寄存器

特殊寄存器的設置主要是針對I/O口的。寄存器的設定主要根據(jù)硬件的配置情況而定。由于啟動代碼是燒錄到ROM中的，而中斷向量必須位于零地址，所以在存儲單元沒有重新映射之前ROM基址的設定應該為零地址。第十八頁，共64頁。4.2.2BootLoader的典型結(jié)構(gòu)4拷貝鏡像文件

拷貝鏡像文件的目的主要是為了提高運行速度。將編譯生成的映像文件代碼從ROM拷貝到RAM中，程序的執(zhí)行也就在RAM中了。第十九頁，共64頁。4.2.2BootLoader的典型結(jié)構(gòu)4內(nèi)存初始化

內(nèi)存初始化的目的是為C代碼的運行開辟內(nèi)存區(qū)。分為：只讀區(qū)，可讀/可寫區(qū)，零初始化區(qū)。

內(nèi)存初始化處理的內(nèi)容是：（1）當只讀區(qū)截止地址等于可讀/可寫區(qū)基址時，把零初始化區(qū)各字節(jié)清零；只讀區(qū)可讀/可寫區(qū)地址零初始化區(qū)第二十頁，共64頁。（2）當只讀區(qū)截止地址不等于可讀/可寫區(qū)基址時，①如果可讀/可寫區(qū)基址小于零初始化基址，就從只讀區(qū)截止地址處開始把數(shù)據(jù)拷貝到可讀可寫區(qū)基址處，直到到達零初始化基址，然后把零初始化區(qū)各字節(jié)清零。只讀區(qū)可讀/可寫區(qū)地址范圍中的數(shù)據(jù)零初始化區(qū)地址范圍中的數(shù)據(jù)清零第二十一頁，共64頁。②否則（如果可讀/可寫區(qū)基址大于或等于零初始化基址）也只用把零初始化區(qū)各字節(jié)清零。只讀區(qū)可讀/可寫區(qū)零初始化區(qū)清零第二十二頁，共64頁。4.2.2BootLoader的典型結(jié)構(gòu)5建立中斷向量表

中斷向量表用于處理異常情況，當發(fā)生異常時，首先要保存當前程序的返回地址和CPSR寄存器的值，然后進入到相應的異常向量地址。

第二十三頁，共64頁。ENTRYB Reset_Handler ;系統(tǒng)復位，通過這個跳轉(zhuǎn)指令進入堆棧初始化操作B Undefined_Handler ;未定義異常向量B SWI_Handler;軟中斷異常向量B Prefetch_Handler ;預取指異常向量B Abort_Handler ;中止異常向量NOP ;保留B IRQ_Handler ;IRQ中斷向量B FIQ_Handler ;FIQ中斷向量（快速響應用戶中;斷，支持高速數(shù)據(jù)傳輸）跳轉(zhuǎn)指令地址依次+4第二十四頁，共64頁。4.2.2BootLoader的典型結(jié)構(gòu)6系統(tǒng)重新映射系統(tǒng)重新映射與前面鏡像文件的拷貝有關。當為了提高運行速度把ROM的鏡像文件拷貝到RAM后，中斷向量表就不在零地址處了，因此要重新映射存儲單元，把RAM的地址重新設定為零地址。為什么要系統(tǒng)重新映射?第二十五頁，共64頁。整個過程是把啟動代碼從ROM(EEPROM或者Flash)拷貝到SDRAM運行，同時在拷貝完畢后進行內(nèi)存的重新映射，把SDRAM映射到原來的ROM地址(0x00000000)中，這樣就可以用SDRAM中的代碼寫Flash，使得程序代碼得以更新。第二十六頁，共64頁。4.2.2BootLoader的典型結(jié)構(gòu)7

切換到用戶模式，進入C代碼區(qū)CPU切換到用戶模式下，并把堆棧指針SP指定到用戶堆棧區(qū),就可以進入到C代碼區(qū)運行。在C代碼中繼續(xù)對時鐘、RS232端口進行初始化，然后打開系統(tǒng)中斷允許位，進入到應用代碼中執(zhí)行。第二十七頁，共64頁。4.2.2BootLoader的典型結(jié)構(gòu)BootLoader結(jié)構(gòu)

從程序結(jié)構(gòu)上來講，BootLoader一般都分：

Stage1：存放依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼，如設備初始化代碼等，通常使用匯編語言來實現(xiàn)，達到短小精悍的目的。

Stage2：用來實現(xiàn)復雜功能，通常使用C語言來實現(xiàn)，使代碼具有更好的可移植性。第二十八頁，共64頁。4.2.2BootLoader的典型結(jié)構(gòu)1Stage1Stage1部分的代碼按照執(zhí)行的先后順序，通常包括以下步驟：硬件設備初始化為加載Stage2程序準備RAM空間拷貝Stage2程序到RAM空間設置好堆棧跳轉(zhuǎn)到Stage2的C程序入口點第二十九頁，共64頁。4.2.2BootLoader的典型結(jié)構(gòu)2Stage2Stage2部分的代碼通常包括以下步驟：初始化本階段用到的硬件設備，如RS232檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射將操作系統(tǒng)內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像從Flash讀到RAM空間中為操作系統(tǒng)內(nèi)核設置啟動參數(shù)調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核第三十頁，共64頁。4.2.3實例分析4.2BootLoader

本小節(jié)使用基于ARM7TDMI內(nèi)核的S3C44B0X為例詳細介紹BootLoader的設計與實現(xiàn)。

與S3C4510B有區(qū)別的是：S3C44B0X沒有存儲器重映射的功能，所有存儲區(qū)地址固定；另外，S3C44B0X提供了矢量中斷的功能，擴展了向量表第三十一頁，共64頁。4.2.3實例分析硬件初始化程序（1）說明：硬件初始化程序編譯環(huán)境：ADS1.2***************************************存儲器空間;GCS6 64M16bit(8MB)DRAM/SDRAM(0xC000000-0xC7FFFFF);APP RAM=0xC000000～0xC7EFFFF;44BMON RAM=0xC7F0000-0xC7FFFFF

（對于不同的RAM，可以修改此地址）;STACK RAM=0xC7FFA00第三十二頁，共64頁。4.2.3實例分析中斷控制預定義

INTPND EQU 0x01E00004INTMOD EQU 0x01E00008INTMSK EQU 0x01E0000CI_ISPREQU0x01E00020I_CMST EQU 0x01E0001CI_ISPCEQU0x01E00024********************************************看門狗定時器預定義WTCON EQU 0x01D30000********************************************第三十三頁，共64頁。4.2.3實例分析初始化程序開始EXPORT InitSystem禁止看門狗

LDR R0,=WTCONLDR R1,=0STRR1,[R0]第三十四頁，共64頁。4.2.3實例分析

初始化堆棧

MRS R0,CPSR BIC R0,R0,#MODEMASK

ORR R1,R0,#UNDEFMODE|NOINT MSR CPSR_CXSF,R1 ;UndefMode LSR SP,=UndefStack

ORR R1,R0,#ABORTMODE|NOINT MSR CPSR_CXSF,R1 ;AbortMode LSR SP,=AbortStack第三十五頁，共64頁。4.2.3實例分析

ORR R1,R0,#IRQMODE|NOINT MSR CPSR_CXSF,R1 ;IRQMode LSR SP,=IRQStack ORR R1,R0,#FIQMODE|NOINT MSR CPSR_CXSF,R1 ;FIQMode LSR SP,=FIQStack第三十六頁，共64頁。4.2.3實例分析

ORR R1,R0,#SVCMODE|NOINT MSR CPSR_CXSF,R1 ;SVCMode LSR SP,=SVCStack

;USERmodeisnotinitialized.第三十七頁，共64頁。4.3.1設備驅(qū)動概述4.3設備驅(qū)動

使用任何外部設備都需要有相應驅(qū)動程序的支持。驅(qū)動程序為上層軟件提供設備的操作接口。

驅(qū)動層軟件有兩個重要的概念：硬件抽象層（HAL，HardwareAbstractionLayer）和板級支持包（BSP，BoardSupportPackage）。

第三十八頁，共64頁。硬件抽象層4.3.1設備驅(qū)動概述

硬件抽象層的目的是為了將硬件抽象化，即通過程序來控制諸如CPU、I/O、存儲器等硬件的操作，從而使得系統(tǒng)的設備驅(qū)動程序與硬件無關。

第三十九頁，共64頁。板級支持包（1）4.3.1設備驅(qū)動概述設計板級支持包的目的主要是為驅(qū)動程序提供訪問硬件設備寄存器的函數(shù)包，從而實現(xiàn)對操作系統(tǒng)的支持。在功能上，板級支持包大體需要實現(xiàn)以下兩方面的內(nèi)容：

在系統(tǒng)啟動時，完成對硬件的初始化。

為驅(qū)動程序提供訪問硬件的手段。

第四十頁，共64頁。

通用異步收發(fā)器（UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter，UART）是用于控制計算機與串行設備的接口。UART的介紹第四十一頁，共64頁。應用示例LPC2000的I/O電壓為3.3V（可承受5V），連接時須注意電平的匹配。LPC2000其它通信設備TxD0RxD0TxD0RxD0與PC機相連時，由于PC機串口是RS232電平，所以連接時需要使用RS232轉(zhuǎn)換器。LPC2000PC機串口232電平轉(zhuǎn)換TxD0RxD0TxD0RxD0第四十二頁，共64頁。移位寄存器UnRSR接收緩沖寄存器UnRBRUARTn接收單元RxDn除數(shù)鎖存寄存器UnDLL、UnDLMUARTn波特率發(fā)生器UARTn控制寄存器（UnLCR）FIFO控制寄存器(UnFCR)UARTn狀態(tài)寄存器（UnLSR）中斷中斷使能寄存器UnIER中斷標志寄存器UnIIRUARTn高速緩存寄存器UnSCR發(fā)送緩沖寄存器UnTHRUARTn發(fā)送單元TxDn移位寄存器UnTSRMODEMModem控制寄存器U1MCRModem狀態(tài)寄存器U1MSRCTSDSRDCDDTRRIRTSVPB總線第四十三頁，共64頁。VPB總線AHB-VPB橋ARM7UARTn發(fā)送單元TxDn移位寄存器UnTSR發(fā)送緩沖寄存器UnTHRAHB總線ARM7AHB總線UARTn發(fā)送單元TxDn移位寄存器UnTSR發(fā)送緩沖寄存器UnTHRVPB總線AHB-VPB橋CPUUnTSRTXDUnTHRUnTHR描述復位值7:0發(fā)送器保持寄存器。寫入該寄存器的值保存到發(fā)送FIFO中，當該字節(jié)到達FIFO底部時，它將被送入發(fā)送移位寄存器（UnTSR）進行發(fā)送。未定義UART發(fā)送單元第四十四頁，共64頁。UART0、UART1各含有1個16字節(jié)的發(fā)送FIFO緩沖區(qū)。UnTHR是UARTn發(fā)送FIFO的最高字節(jié)。UART的發(fā)送FIFO是一直使能的。發(fā)送FIFOUnTHRUnTSRUART發(fā)送FIFO緩沖區(qū)第四十五頁，共64頁。VPB總線AHB-VPB橋ARM7AHB總線移位寄存器UnRSR接收緩沖寄存器UnRBRUARTn接收單元RxDnVPB總線AHB-VPB橋移位寄存器UnRSR接收緩沖寄存器UnRBRUARTn接收單元RxDnARM7AHB總線RXDUnRBRCPUUnRSRUnRBR描述復位值7:0接收緩存寄存器，它包含了接收FIFO中最早接收到的字節(jié)未定義UART接收模塊第四十六頁，共64頁。UART0、UART1各含有1個16字節(jié)的接收FIFO緩沖區(qū)。軟件設置接收FIFO緩沖區(qū)的觸發(fā)字節(jié)。位76[5:3]210功能Rx觸發(fā)點設置—復位TxFIFO復位RxFIFO使能FIFOEnFIFO：FIFO使能。該位的任何變化都將清空UART的FIFO。1:使能接收FIFO，并且允許訪問UnFCR[7:1]。0:禁止接收FIFO，此時接收緩存只有1個字節(jié)。接收FIFOUnRSRUnRBRUnFCRUART接收FIFO緩沖區(qū)第四十七頁，共64頁。UART0、UART1各含有1個16字節(jié)的接收FIFO緩沖區(qū)。軟件設置接收FIFO緩沖區(qū)的觸發(fā)字節(jié)。位76[5:3]210功能Rx觸發(fā)點設置—復位TxFIFO復位RxFIFO使能FIFO接收FIFOUnRSRUnRBRUnFCR復位RxFIFO：接收FIFO復位。當該位置位時，UART0接收FIFO中的所有字節(jié)被清零并復位指針邏輯注意：該位會自動清零。UART接收FIFO緩沖區(qū)第四十八頁，共64頁。UART0、UART1各含有1個16字節(jié)的接收FIFO緩沖區(qū)。軟件設置接收FIFO緩沖區(qū)的觸發(fā)字節(jié)。位76[5:3]210功能Rx觸發(fā)點設置—復位TxFIFO復位RxFIFO使能FIFO接收FIFOUnRSRUnRBRUnFCR復位TxFIFO：發(fā)送FIFO復位。當該位置位時，UART發(fā)送FIFO中的所有字節(jié)被清零并復位指針邏輯。注意：該位會自動清零。UART接收FIFO緩沖區(qū)第四十九頁，共64頁。UART0、UART1各含有1個16字節(jié)的接收FIFO緩沖區(qū)。軟件設置接收FIFO緩沖區(qū)的觸發(fā)字節(jié)。位76[5:3]210功能Rx觸發(fā)點設置—復位TxFIFO復位RxFIFO使能FIFO接收FIFOUnRSRUnRBRUnFCR—：這些位保留，用戶程序不要向這些位寫入1。UART接收FIFO緩沖區(qū)第五十頁，共64頁。UART0、UART1各含有1個16字節(jié)的接收FIFO緩沖區(qū)。軟件設置接收FIFO緩沖區(qū)的觸發(fā)字節(jié)。位76[5:3]210功能Rx觸發(fā)點設置—復位TxFIFO復位RxFIFO使能FIFO接收FIFOUnRSRUnRBRUnFCRRx觸發(fā)點設置：通過設置這兩位可以調(diào)整接收FIFO中觸發(fā)中斷的有效字節(jié)數(shù)量。 00:觸發(fā)點0（1字節(jié)）； 01:觸發(fā)點1（4字節(jié)）； 10:觸發(fā)點2（8字節(jié)）； 11:觸發(fā)點3（14字節(jié)）；UART接收FIFO緩沖區(qū)第五十一頁，共64頁。4.11UART(0、1)UART設置使用UART前需要設置的寄存器寄存器名稱功能UnLCR設置UARTn的通信格式。UnFCR設置UARTn的接收FIFO緩沖區(qū)。UnDLL、UnDLM設置UARTn的通信波特率。UnIER設置UARTn的中斷。U1MCRModem接口設置（只有UART1具有）。第五十二頁，共64頁。4.11UART(0、1)UART設置使用UART前需要設置的寄存器——UnLCR位76[5:4]62[1:0]功能除數(shù)鎖存間隔奇偶選擇奇偶設置停止位字長字長度選擇： 00：5位字符長度 01：6位字符長度 10：7位字符長度 11：8位字符長度第五十三頁，共64頁。4.11UART(0、1)UART設置使用UART前需要設置的寄存器——UnLCR位76[5:4]62[1:0]功能除數(shù)鎖存間隔奇偶選擇奇偶設置停止位字長停止位選擇： 0：1個停止位 1：2個停止位第五十四頁，共64頁。4.11UART(0、1)UART設置使用UART前需要設置的寄存器——UnLCR位76[5:4]62[1:0]功能除數(shù)鎖存間隔奇偶選擇奇偶使能停止位字長奇偶使能：控制是否進行奇偶校驗。如果使能，發(fā)送時將添加一位校驗位。 0:禁止奇偶產(chǎn)生和校驗； 1:使能奇偶產(chǎn)生和校驗；奇偶選擇：設置奇偶校驗類型。 00:奇數(shù)(數(shù)據(jù)位+校驗位＝奇數(shù))； 01:偶數(shù)(數(shù)據(jù)位+校驗位＝偶數(shù))； 10:校驗位強制為1； 11:校驗位強制為0；第五十五頁，共64頁。4.11UART(0、1)UART設置使用UART前需要設置的寄存器——UnLCR位76[5:4]62[1:0]功能除數(shù)鎖存間隔奇偶選擇奇偶使能停止位字長間隔：當該位為1時，輸出引腳（TxDn）強制為邏輯0，可以引起通信對方(LPC2000)產(chǎn)生間隔中斷。在某些通信方式中，使用間隔中斷作為通信的起始信號（如：LINBus）。 0:禁止間隔發(fā)送； 1:使能間隔發(fā)送；第五十六頁，共64頁。4.11UART(0、1)UART設置使用UART前需要設置的寄存器——UnLCR位76[5:4]62[1:0]功能除數(shù)鎖存間隔奇偶選擇奇偶使能停止位字長除數(shù)鎖存：因為UnDLL和UnRBR/UnTHR的地址重疊，通過設置該位可以指定其中某個寄存器操作。0:禁止訪問除數(shù)鎖存寄存器； 1:使能訪問除數(shù)鎖存寄存器；第五十七頁，共64頁。UART寄存器地址訪問方式UART0U0RBR0xE000C000DLAB=0，對地址：0xE000C000進行讀訪問U0THRDLAB=0，對地址：0xE000C000進行寫訪問U0DLLDLAB=1，對地址：0xE000C000進行訪問U0IER0xE000C004DLAB=0，對地址：0xE000C004進行訪問U0DLMDLAB=1，對地址：0xE000C004進行訪問UART——特殊寄存