Motorola微處理器的bootloader分析與應用

    關鍵詞：嵌入式系統 ColdFire bootloader dBUG

引 言

??bootloader是用來完成系統啟動和系統軟件加載工作的程序。它是底層硬件和上層應用軟件之間的一個中間件軟件，完成處理器和周邊電路正常運行所要的初始化工作；可以屏蔽底層硬件的差異，使上層應用軟件的編寫和移植更加方便；不僅具有類似PC機上常用的BIOS(Basic Input Output System，基本輸入、輸出系統監(jiān)控程序)功能，而且還可具有一定的調試功能。目前，在嵌入式系統開發(fā)中有多種bootloader可供選擇，其中Motorola公司的名為dBUG的bootloader比較優(yōu)秀。它可以移植在Motorola MC68000、ColdFire和PowerPC系列所有微處理器上面，有強大的調試功能，支持單步、下載、網絡更新等；其良好的軟件架構使用戶能很方便地修改其代碼，擴展新的功能。本文以作者用于網絡數據存儲的coldfire5307C3開發(fā)板為例，簡析其上的dBUG bootloader的結構和運行機制，并給出實際修改范例。

1 bootloader源碼結構

(1)bootloader的文件組織

　　dBUG bootloader源代碼可以從Motorola公司網站獲得。它是一個范例程序，通過修改相應的配置文件和處理器相關文件，可以很方便地移植到不同的處理器系統上。其源碼由兩個部分組成，一部分是lib項目，另外一部分是每種Motorola微處理器單獨的處理器項目。比如，ColdFire 5307就使用MCF5307C3項目和lib項目一起來生成最終的dBUG代碼。其中l(wèi)ib項目中是與處理器無關的一些命令或者函數，而每個單獨的處理器項目是和每種不同的處理器息息相關的。在編譯的時候，首先需要將lib項目編譯生成標準庫函數(也就是將一些通用命令和函數先封裝起來)。然后，編譯MCF5307C3項目，就會將剛才編譯的lib項目和MCF5307C3項目結合在一起生成最終代碼。

　　整個dBUG bootloader代碼的架構比較復雜，其源碼按功能可分為3個模塊[1]：User Interface Component、CPU-specific Component、Board-specific Component。用戶進入dBUG的目錄以后，會看到三個子目錄，如圖1所示[1，2]。

① 第一個目錄是bin目錄，在該目錄下面主要是一個簡單的TFTP Server軟件。TFTP是簡單的FTP(文件傳輸協議)。它是基于UDP協議的，主要用來下載程序目標代碼。

② 第二個目錄是prog目錄，下面主要是lib項目和MCF5307C3項目的項目組織文件和一部分源代碼。在prog目錄下面的libdbug目錄下，有l(wèi)ib項目的項目管理文件libdbug.mcp，使用CodeWarrior可以打開該項目文件和編譯等。prog目錄下面的M5307C3目錄下是ColdFire 5307系統的項目文件，而該目錄下的obj目錄下是生成的dBUG目標代碼。src目錄下是5307項目的項目管理文件。用戶可以使用CodeWarrior，打開M5307C3目錄下的/src/dbug/mwerks/m5307c3.mcp項目管理文件來編譯代碼。

③ 第三個目錄是src目錄，是dBUG的主要源代碼。

　　綜上所述，用戶只要打開m5307c3.mcp和libdbug.mcp兩個項目文件，即可以看到dBUG所有的源代碼。

(2)與處理器和外圍硬件配置相關的文件

① 入口文件：vector.s。

存有處理器復位初始入口地址、跳轉指令及中斷矢量表。

② 初始化匯編語言文件：mcfxxxx_lo.s。

功能為預初始化處理器、調用初始化函數及跳轉到main主函數。其中xxxx表示某特定的處理器型號，如5307。

③ 初始化C語言文件：Sysinit.c。

內含多個初始化函數，功能為初始化處理器及各底層硬件。

④ 系統配置文件：Config.h和Board.h 。

Config.h

設定板上處理器類型和其它模塊功能。

Board.h

設定板上各參數信息，如片外Flash和SDRAM大小、類型、數據寬度和地址范圍、劃分板上內存空間范圍、系統時鐘大小、系統總線速率以及一些其它要用到的系統常量。

⑤ 連接配置文件：Flash.lcf。

設定連接時各函數空間地址及內存分配。

⑥ 預包含頭文件：mxxxx_mwerks.h和mwerks.h。

兩函數被所有的C語言和匯編語言函數包含，它們設定CodeWarrior 預處理器所用到的常量和編譯器編譯選項。

2 bootloader運行流程簡介

　　bootloader啟動流程如圖2所示。

　　系統上電復位后，跳到Boot ROM的最低地址處。Boot ROM的開始空間FFE00000~FFE00400為vector.s中的中斷矢量表。將表中第一個32位字傳給5307的SP，將第二個32位字傳給PC，即完成復位中斷跳轉。

　　該復位中斷跳轉到vector.s中的start處。此處僅初始化sr，然后跳轉到mcf5307_lo.s中的asm_startmeup。該段代碼首先進行部分初始化和真正初始化前的準備工作：禁止Cache、禁止中斷和地址轉換、初始化用戶指定的內部模塊(MBAR)和內部SRAM(RAMBAR)起始地址。然后，將SP指向內部SRAM空間，即當調用真正的初始化程序時用內部SRAM的一段地址空間作為臨時堆棧。接下來，調用sysinit.c文件中的外圍電路和系統配置的初始化程序mcf5307_init()。

　　mcf5307_init()函數順序調用各個功能的初始化子函數，初始化系統集成模塊、并行通用輸出輸入口、串口、I2C控制器、DMA控制器、片選寄存器、SDRAM控制器。當運行完mcf5307_init()后，流程回到asm_startmeup中。此時，外圍電路和內部模塊已按用戶要求進行了正確的配置，系統的初始化已基本完成。于是，將堆棧指針SP指向用戶要求的堆棧空間，該堆棧為該板上的外部SDRAM空間。最后，跳轉至main函數。

　　在main中，首先將系統的矢量表從Flash空間拷貝到用戶指定的外部SDRAM中。然后，將Flash中的data段初值拷貝到外部SDRAM指定的data空間中，根據配置將外部SDRAM中的bss段清0，之后進行一些系統全局數據結構、參數表等的初始化。最后，調用mainloop開始人機交互循環(huán)：不斷接收用戶的命令、根據命令查表調用相應的任務函數、在界面上打印出相應的執(zhí)行信息。

3 bootloader用戶應用

    (1)bootloader的系統移植

　　由于Motorola的dBUG bootloader為一標準的范例程序，要將其移植到具體的嵌入式系統中，還需要根據系統的硬件配置，修改其部分配置文件和底層接口文件。本文以用于網絡數據存儲的ColdFire5307C3開發(fā)板為例，介紹在其上的dBUG移植過程。

①ColdFire5307C3開發(fā)板硬件情況：

ColdFire5307 32位處理器，16MB (32位數據總線)SDRAM，2MB (16位數據總線)Flash ROM，2 UART，10Mbps (16位數據總線)以太網接口。

②修改bootloader的處理器和配置相關文件：

a. 根據5307處理器手冊及用戶需要，修改vector.s中的中斷矢量表。

b. 根據5307處理器手冊編寫mcf5307_lo.s文件。

c. 根據板上的硬件配置修改sysinit.c文件，編寫相應的硬件初始化函數。

d. 根據系統配置修改config.h和board.h文件。

e. 根據需要修改mxxxx_mwerks.h和mwerks.h，設定某些編譯選項。

f. 根據需要修改連接配置文件Flash.lcf，設定連接時目標代碼的地址分配。

g. 編寫相應的硬件驅動，如該板上用到的MBM29LV 160BE70 Flash芯片的驅動程序文件am29xxxx.c和am29 xxxx.h、該板上用到的網卡芯片的驅動程序文件Ns8390.c以及5307的串口驅動函數等。

(2)bootloader命令簡介[2]

　　dBUG提供了豐富的調試命令：

① 程序流程控制命令reset(系統重啟)、go、exe(用戶程序執(zhí)行)、br(斷點設置)、step(單步)、trace(單步跟入)、gt(運行到)；

② 內存和寄存器操作命令md、mm(內存查看和修改)、rd、rm(寄存器查看和修改)、bm(內處塊移動)、bf(內存塊數據填充)、bc(內存塊比較)、bs(內存塊查找)；

③ 指令和數據操作命令dc(數據轉換)、dis(反匯編)、asm (匯編指令插入)、sym(符號表管理)；

④ 程序下載命令dl(通過串口下載)、dn(通過網絡下載)。

(3)bootloader用戶功能擴展

　　除了dBUG bootloader本身提供給用戶的命令外，用戶還希望根據不同的情況定制自己的命令。如Linux加載、μC/OS加載、kermit下載等。一般自己添加的命令都會放在一個單獨的C文件里面。為了方便，用戶也將自己添加的命令都放在board.c文件的最后。

　　例如，用戶想要給dBUG添加μC/OS操作系統加載的功能，除了在dBUG中加上自己的程序加載代碼外，還應給dBUG添加一個名為ucosii的用戶命令。這樣可以通過在界面上輸入命令的形式實現相應的加載功能。首先應該在board.c里面實現這個函數：

ucos_boot (int argc, char **argv)

{

…………

}

　　而后，應在cmds.c文件里面聲明這個函數，并在緊接著的UIF_CMD UIF_CMDTAB數組里面聲明這個命令的特性和參數。

　　{“ucosii”, 4,0,0,0,ucos_boot, “Boot uCOS-II from RAM”,””},

　　其中，第一個test字符串是命令的名稱，第二個4表明命令識別的時候要匹配4個字符才行，最后的字符串是help命令時對test命令的解釋。在描述中間的test表明指向的函數名稱。這樣就很方便地添加了這個用戶命令。

4 結 論

　　綜上所述，Motorola公司的dBUG軟件由于其良好的源代碼組織結構使得用戶在其上開發(fā)應用非常方便，用戶稍加修改就可將其移植到不同的硬件平臺上。它擁有良好的用戶界面，不僅可以完成用戶所需的程序下載、加載等功能，而且還可以方便地進行調試，使用戶可以更好地監(jiān)控自己的程序。除此之外，用戶還可以很方便地添加自己所要的功能，其結構具有良好的可擴展性。所以，Motorola公司的dBUG bootloader的確是一個優(yōu)秀的bootloader范例，給廣大的嵌入式系統開發(fā)者提供了一個不錯的選擇。