ARM7TDMI-S在嵌入式系統(tǒng)中的Bootloader代碼設(shè)計(jì)

    摘要：ARM7TDMI-S是ARM公司設(shè)計(jì)的一款32位精簡(jiǎn)指令集處理器內(nèi)核，LPC210x系列是飛利浦半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的芯片。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，針對(duì)嵌入式處理器和操作系統(tǒng)的Bootloader代碼的設(shè)計(jì)是一個(gè)難點(diǎn)。本文根據(jù)用LPC2106進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的嵌入式處理器芯片的Bootloader代碼設(shè)計(jì)的一般流程；給出LPC2106芯片在基于μC/OS-II操作系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用中，BootLoader程序的詳細(xì)設(shè)計(jì)流程及其中的一些關(guān)鍵技術(shù)和代碼。

    關(guān)鍵詞：ARM7TDMI-S嵌入式系統(tǒng) BootLoader代碼 LPC2106 μC/OS-II

引言

芯片的Bootloader代碼（即啟動(dòng)代碼）就是芯片復(fù)位后進(jìn)入操作系統(tǒng)之前執(zhí)行的一段代碼，主要是為運(yùn)行操作系統(tǒng)提供基本的運(yùn)行環(huán)境，如初始化CPU堆棧、初始化存儲(chǔ)器系統(tǒng)等。Bootloader代碼與CPU芯片的內(nèi)核結(jié)構(gòu)、具體芯片和使用的操作系統(tǒng)等因素有關(guān)。其功能有點(diǎn)類似于PC機(jī)的BIOS（Basic Input/Output System,基本輸入輸出系統(tǒng)）程序，但是由于嵌入式系統(tǒng)的軟硬件都要比PC機(jī)的簡(jiǎn)單，所以它的Bootloader代碼要比BIOS程序簡(jiǎn)單得多。

嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應(yīng)用中為心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適用于系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、何種、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的核心部件是嵌入式處理器。隨著嵌入式系統(tǒng)在人們?nèi)粘Ｉ钪械膹V泛運(yùn)用，嵌入式處理器得到前所未有的飛速發(fā)展?；贏RM核的嵌入式處理器芯片種類繁多。由于ARM公司只設(shè)計(jì)內(nèi)核的不生產(chǎn)具體的芯片，即便是基于同一種內(nèi)核，不同廠家生產(chǎn)的芯片差別很大，因此不易編寫(xiě)出統(tǒng)一的Bootloader代碼。ARM公司針對(duì)這一問(wèn)題而采取的策略是，不提供完事的Bootloader代碼（ARM公司的開(kāi)發(fā)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(xiě)。飛利浦公司沒(méi)有提供LPC210x系列的Bootloader代碼，所以用戶只能自己編寫(xiě)B(tài)ootloader代碼。

1 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(nèi)外設(shè)組合在一起才構(gòu)成實(shí)際的芯片。ARM7是用于對(duì)成本和功耗都非常敏感的消費(fèi)應(yīng)用的低價(jià)位、低功耗的32位核。其主要特點(diǎn)如下：馮.諾依曼結(jié)構(gòu)、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(shí)時(shí)在線仿真）邏輯。

LPC2104/2105/2106基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S內(nèi)核，并帶有128KB的高速Flash存儲(chǔ)器，128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)，使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)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(yīng)用，例如存儲(chǔ)取控制和POS機(jī)。帶有寬范圍的串行通信接口、片內(nèi)多達(dá)64KB的SRAM，由于具有大的緩沖區(qū)和強(qiáng)大的處理器能力，它們非常適合于通信網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器、軟件調(diào)制解調(diào)器、聲音識(shí)別以及低端的圖像處理。而多個(gè)32位定時(shí)器、PWM輸出和32個(gè)GPIO，使它們特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)。LPC2106是LPC210x系列的一種，其它兩種為L(zhǎng)PC2104/2105。它們都基于ARM7TDMI-S內(nèi)核。三種芯片唯一的區(qū)別就是SRAM的容量大小：LPC2106是64KB，而LPC2104是16KB，LPC2105是32KB。

2 Bootloader代碼

2.1 Bootloader代碼的作用

嵌入式系統(tǒng)的資源有限，應(yīng)用程序通常都是固化在ROM中運(yùn)行。ROM中的程序執(zhí)行前，需要對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行初始化。這些工作是用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言編寫(xiě)的Bootloader代碼完成的。在ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)中，Bootloader代碼的作用主要有以下幾點(diǎn)：

*初始化CPU各種模式的堆棧和寄存器；

*初始化系統(tǒng)中要使用的各種片內(nèi)外設(shè)；

*初始化目標(biāo)板；

*引導(dǎo)操作系統(tǒng)。

2.2 Bootlader代碼設(shè)計(jì)的一般流程

Bootloader代碼是嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用程序的開(kāi)頭部分，它與應(yīng)用程序一起固化在ROM中，并首先在系統(tǒng)上運(yùn)行。設(shè)計(jì)好Bootloader代碼是設(shè)計(jì)嵌入式程序的關(guān)鍵，也是系統(tǒng)能夠正常工作的前提。Bootloader代碼所執(zhí)行的操作主要信賴于CPU內(nèi)核的類型，以及正在開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)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(yīng)該進(jìn)行的操作）如圖1所示。

2.3 基于LPC2104和μC/OS-II是多任務(wù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。針對(duì)該款芯片和多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的Bootloader程序的流程如圖2所示。

2．3．2 關(guān)鍵代碼分析

；中斷向量表，給出了CPU芯片出現(xiàn)異常時(shí)應(yīng)該轉(zhuǎn)去執(zhí)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(shù)，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(shí)在初始化堆棧完成后使用R0返回

MSR CPSR_c,#0xd3 ;設(shè)置管理模式堆棧

LDR SP，StackSvc

MSR CPSR_c,#0xd2 ;設(shè)置中斷模式堆棧

LDR SP，StackIrq

MSR CPSR_c,#0xd1 ;設(shè)置快速中斷模式堆棧

LDR SP，StackFiq

MSR PSR_c,#0xd7 ;設(shè)置中止模式堆棧

LDR SP，StackAbt

MSR CPSR_c,#0xdb ;設(shè)置未定義模式堆棧

LDR SP，StackUnd

MSR CPSR_c,#0xdf ;設(shè)置系統(tǒng)模式堆棧

LDR SP，StackUsr

MOV PC,R0

StackUsr DCD UsrStackSpace+(USR_STACK_LEGTH-1)*4

StackRvc DCD SvcStackSpace+(SVC_STACK_LEGTH-1)*4

StackIrq DCD IrqStackSpace+(IRQ_STACK_LEGTH-1)*4

StackFiq DCD FiqStackSpace+(FIQ_STACK_LEGTH-1)*4

StackAbt DCD AbtStackSpace+(ABT_STACK_LEGTH-1)*4

StackUnd DCD UndtStackSpace+(UND_STACK_LEGTH-1)*4

;系統(tǒng)初始化代碼

Reset

BL InitStack ;調(diào)用InitStack函數(shù)初始化芯片各種模式的堆棧

BL TargetResetInit ；調(diào)用TargetResetInit函數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行基本初始化

B _main ；跳轉(zhuǎn)到ADS提供的啟動(dòng)代碼_main函數(shù)處，它初始化函數(shù)庫(kù)并最終引導(dǎo)CPU進(jìn)入操作系統(tǒng)的main()函數(shù)

    上面的程序代碼只包含了流程圖中的幾個(gè)主機(jī)步驟。這些步驟都是必不可少的，其余的步驟都在TargetResetInit函數(shù)中加以實(shí)現(xiàn)。本例中的TargerReset Init函數(shù)如下：

void TargetResetInit(void)

{/*設(shè)置系統(tǒng)各部分時(shí)鐘*/

PLLCON=1；

#if((Fcclk /4)/Fpclk==1

VPBDIV=0;

#endif

#if((Fcclk/4)/Fpclk==2

VPBDIV=2;

#endif

#if((Fcclk/4)/Fpclk==4

VPBDIV=1;

#endif

#if(Fcco/Fcclk)==1

PLLCFG=((Fcclk/Fosc)-1)|(1<<5);

#endif

#if(Fcco/Fcclk)==2

PLLCFG=((Fcclk/Fosc)-1|(2<<5);

#endif

#if(Fcco/Fcclk)==4

PLLCFG=((Fcclk/Fosc)-1|(3<<5);

#endif

#if(Fcco/Fcclk)==8

PLLCFG=((Fcclk/Fosc)-1)|(4<<5);

#endif

PLLFEED=0xaa;

PLLFEED=0x55;

while(PLLSTAT &(1<<10)==0)

PLLCON=3;

PLLFEED=0xaa;

PLLFEED=0x55;

/*設(shè)置存儲(chǔ)器加速模塊*/

MAMCR=2；

#if Fcclk<20000000

MAMTIM=1;

#else

#if Fcclk<40000000

MAMTIM=2;

#else

MAMTM=3;

#endif

#endif

/*初始化VIC，使芯片在進(jìn)入μC/OS-II多任務(wù)環(huán)境前關(guān)中斷*/

VICIntEnClr=0xffffffff;

VICVectAddr=0;

VICIntSelect=0;

/*其它步驟的代碼與實(shí)際的軟件功能相關(guān)，不具有代表性，故在此不列出*/

}

3 結(jié)論

本文介紹的Bootloader代碼已經(jīng)在基于Philips公司的LPC2106芯片開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)上運(yùn)行并測(cè)試通過(guò)。針對(duì)不同的CPU芯片編寫(xiě)B(tài)ootloader代碼，首先要了解該CPU的內(nèi)核結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)，其次是具體芯片的結(jié)構(gòu)和各種片上資源，以及所采用的操作系統(tǒng)。以上所列的設(shè)計(jì)流程不是一成不變的，在具體應(yīng)用中要權(quán)衡取舍。