基于PXA272的Bootloader的设计与实现

1  前言
    
PC机中的引导程序一般由BIOS和位于MBR的OS  Bootloader（例如LILO或者GRUB）一起组成。然而在嵌入式系统中通常没有像BIOS那样的固件程序（有的嵌入式CPU有），因此整个系统的加载启动任务就完全由Bootloader来完成。但是随着嵌入式系统的发展，Bootloader已经逐渐在基本功能的基础上进行了扩展，Bootloader可以更多地增加对具体系统的板级支持，即增加一些硬件模块功能上的使用支持，以方便开发人员进行开发和调试。编写BootLoader是开发WinCE系统第一步，也是关键的一步。只有得到一个稳定工作的Loader程序，才能够更进一步开发WinCE的BSP，直至最后整个系统的成功。

2  硬件平台结构

    我们的硬件平台采用PXA 272 作为处理器，工作频率为512M HZ,内部集成了64 M bytes NOR Flash。Intel PXA27X处理器是Intel公司推出的32位,基于Xscale架构的高性能的嵌入式芯片。【2】硬件平台结构中主要还包括了如下的主要器件：128 M SDRAM、AC97 codec、 LCD 控制器、IrDa芯片、蓝牙UART、USB控制器。另外还集成了3.5吋、240×320 QVGA的TFT-LCD 触摸屏、PCMCIA、SD/MMC等外设接口,WLAN模块。

    Intel的PXA 27X内部支持SD Host的控制模块，有SD Host控制寄存器和可以用于SD Host控制器的IO引脚，可用编程的方法对其功能进行选择；但对于SD卡的检测，写保护和插槽的电源使能

    等功能没有专门的引脚。在本文实现中，对于卡检测、电源引脚，通过GPIO扩展来实现。和SD卡硬件相关的部分引脚定义如表1所示：【3】【4】

                 表1 PXA 272部分GPIO引脚功能定义

    一个嵌入式WinCE系统从软件的角度看通常可以分为两部分：Bootloader 和 Wince嵌入式系统。从Bootloader和Wince嵌入式系统的关系看,Bootloader包含两种不同的操作模式：“本地启动”模式和“下载启动”模式。【5】在本地启动模式下Bootloader从Flash上将Wince操作系统加载到RAM中运行。在下载启动模式下，目标机上的Bootloader将通过串口或者网络连接或者USB等从主机下载操作系统文件,也可以直接从SD/MMC卡、CF卡上加载操作系统镜像文件。在下载启动模式下,Bootloader通过串口给用户提供简单的命令行接口。

3.1 Bootloader的流程

    当系统上电后，ARM CPU会从物理地址零处开始执行第一条指令的执行，通常会在该地址处放置一条跳转指令。在我们的硬件平台中物理地址零是64M Flash的物理起始地址。这里值得需要说明的是64M Flash 是固化在Intel PXA 272中的。所以我们的Bootloader烧入也必须从Flash的物理地址零开始。Bootloader二进制文件的最前面的4个字节就是一条跳转指令。

    接着系统会跳转到一段用ARM汇编编写的代码中去执行。其作用是完成系统启动所必须的最小配置,例如配置cpu 的工作频率，配置GPIO,配置时钟等。然后为我们处理器的工作模式设置栈指针。

    接着把Bootloader 从Flash搬运到SDRAM中,配置MMU,创建页表,使能MMU,然后把自己后半部重定位到SDRAM中去执行。在后半部的执行中会根据用户做的动作（是否按住一个按钮）来判断是要本地启动还是下载启动。具体的流程图如图1所示。

    当用户选择特定下载启动方式后，就进入具体的下载流程。首先需要对用户选定的介质的硬件进行必要的初始化。之前做的一些硬件的初始化是不够的，因为没必要在前面进行全面的硬件初始化，现在要具体使用了就需要进行具体的配置。

3.2 软件实现的关键

    Bootloader是依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式系统中。不同的体系结构需求的Bootloader是不同的；除了体系结构，Bootloader还依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。所以根据不同的板级配置需要修改相应的Bootloader。【5】我们使用的bootloader是Microsoft提供的和Wince配套的Eboot。下面几点是在我们的硬件平台上修改Eboot的关键。

3.2.1  配置内存映射表

    WinCE嵌入式系统通过定义OEMAddressTable来定义虚拟内存到物理内存的映射表.这个表在我们的实现中是bootloader和WinCE系统公用的。【5】当然这不是强制性的.我们需要根据硬件平台的不同定制自己的映射表。在我们的设计中,这个表把4GB的物理空间映射到512M的内核虚拟空间。

    表中的每一项由虚拟地址,物理地址,和映射的M数组成。其格式如下所示

OEMAddressTable

DCD SDRAM_BASE_C_VIRTUAL,      SDRAM_BASE_PHYSICAL,       64

DCD SDRAM1_BASE_C_VIRTUAL,     SDRAM1_BASE_PHYSICAL,      64   

DCD IM_STORAGE_BASE_C_VIRTUAL, IM_STORAGE_BASE_PHYSICAL,  1

.....

DCD 0x00000000,                     0x00000000,           0 

    第一项和第二项分别使64M的虚拟地址映射到64M物理地址,因为我们采用两条64M的SDRAM。第二项使1M的内部内存的虚拟地址映射到物理地址,因为我们使用1M大小的内部存储。最后一项必须是零,因为建立页表的时候程序通过它来判断是否结束映射过程。在配置MMU的时候会使用这个表来完成虚拟地址到物理地址的映射的页表的建立。

3.2.2    为中断模式设置分配堆栈

    我们知道ARM的堆栈是分模式的，在程序中要为每种要用到的模式分配堆栈。如果没有为某种模式分配堆栈，那么在进入这种模式之后系统不能继续运行了。系统首先运行在SVC模式。在下载模式中，我们要通过USB ,网络,SD/MMC和CF接口等下载文件，而这些都要用到中断。所以我们要为中断模式分配堆栈，其代码片段如下：

ldr      r2, =(Mode_IRQ :OR: NoIntsMask)                  ;中断模式

msr      cpsr_c,r2

ldr sp,=(EBOOT_IRQ_STACK_TOP+SDRAM_VIR_C_EBOOT_PARTITION) ;分配堆栈

    在为中断模式分配堆栈之后，还要进行堆栈切换，使程序重新回到SVC模式运行。

3.2.3    通过SD卡加载系统镜像的实现

    当用户选取SD卡作为下载系统镜像的目标后，bootloader就进入对SD处理的流程。首先通过SD卡检测引脚判断是否有SD卡插在插槽。如果有就要对SD控制的硬件进行初始化，例如SD插槽电源使能，设置时钟,设置功能GPIO等。

    其中需要说明的是Intel PXA 272的时钟管理比较复杂，它有两个锁相环路PLL：外围设备锁相环路,核心锁相环路。其中外围设备锁相环路为外围总线和USBC,I2S接口，SD接口等外围设备提供时钟。在时钟控管理寄存器里，寄存器CKEN用来控制如USB，UART，SD等接口模块的时钟使能。【1】

    接着是对SD卡协议栈的软件实现.为了减少Bootloader中SD Host驱动的复杂性，能够易于调试，实现了总线驱动模块，客户端驱动模块和FAT16文件系统模块。所以在我们的实现中对SD卡上的文件系统要有一定的限制，必须是格式化成FAT16的文件系统才能被我们的bootloader识别。当然在具体的实现中我们还可以使用另外的文件系统格式。其协议栈结构如图2所示：

3.3  实验结果

    我们使用一个22.7M的WinCE镜像,在Bootloader中分别用USB,SD卡,TFTP,本地四种方式使用进行加载启动测试，分别测试了50次。因为在Bootloader中SD Host的实现没有使用DMA方式,为了进行性能比较,我们又调用WinCE系统下使用DMA的SD Host驱动加载同样大小的文件进行了50次测试。表2是我们测试的结果。表中数据为平均值。
                           表2  测试结果

    从表中数据可知，本地启动是最快的，这是不容置疑的。其次是通过SD卡启动。另外值得说明的是，通过USB和TFTP下载启动在都需要的在通信的另一端软件的支持和用户的介入操作。而SD卡的数据通信传输完全由硬件实现，这也是SD卡加载相对比较快的主要原因。而且使用TFTP下载还需要进行相对复杂的配置。而在使用SD的加载中Bootloader会自动去搜寻系统镜像，自动下载。这对用户的使用来说是方便快捷的。

    另外从使用DMA的SD 驱动下载文件和Bootloader中的实现做比较，可以看出使用DMA后大大提高了使用SD下载的性能。当然我们也可以在Bootloader中使用DMA方式来实现以提高性能。但这样一来会大大增加Bootloader的复杂性。我们在Bootloader中实现使用SD做加载启动的主要目的是方便开发和调试SD硬件模块，而且实际使用中绝大部分会是本地启动。我们的实现中目的已经达到，所以可以不考虑这些。

4  结束语

     Bootloader是操作系统和硬件的枢纽,相对于操作系统内核来说它是一个硬件抽象层。嵌入式领域中操作系统的移植关键在于Bootloader的移植和操作系统内核硬件相关部分移植。所设计并实现的基于Intel PXA 272嵌入式处理器的从SD卡加载并启动WinCE系统的Bootloader能提高WinCE操作系统移植的稳定性并加快WinCE操作系统移植的周期。

     本文作者创新点: 在基于Intel PXA 272 处理器的bootloader中实现了SD卡的协议栈,并实现了从SD卡加载并启动WinCE嵌入式系统镜像的功能.

参考文献:
【1】杜春雷.ARM体系结构与编程.北京:清华大学出版社 ,2004-12
【2】Intel PXA 27X Processor Family Developer\'s Manual[M]. Intel, 2004-04
【3】Jörg Henkel, Xiaobo Sharon Hu, Shuvra S. Bhattacharyya. Taking on the Embedded System Design Challenge[J], IEEE Computer (4): 35-37 (2003)【4】SD-Memory Card Specifications /Part1 Physical Layer Specification Version 1.01[M]. SD Group, 2001
【5】陈向群王雷 马洪兵.Windows.CE.NET 系统分析及实验教程.北京:机械工业出版社,2003
【6】万永波 张根宝 田泽 杨峰. 基于ARM的嵌入式系统Bootloader启动流程分析.微计算机信息. 2005年第11-2期.第一页