基于Intel PXA27x 的系统引导程序(Blob) 移植与实现.pdf

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1、 1 基于基于 Intel PXA27x 的系统引导程序（的系统引导程序（Blob）移植与实现移植与实现 吴 涛2 张 翼1，杨 鹏3（1,2 华中科技大学软件学院，3，华中科技大学水电学院数字化工程与仿真中心，湖北武汉 430074）Email： 摘要：摘要：随着嵌入式处理器 Intel PXA27x 在各种智能终端上的推广使用，基于这款处理器的 Bootloader（Blob）的设计和移植也逐步转向实际应用。本文在分析基于 PXA27x 的 Blob 移植和启动过程关键问题的基础上，给出了为测试硬件平台而扩展 Blob 监控程序功能的一些建议，总结了成功开展类似移植的一般过程及模式，对类似

2、系统的开发有直接借鉴意义。关键词关键词：PXA27x 处理器；Blob；监控程序；移植 中图法分类号中图法分类号：TP316.81 文献标识码文献标识码：B Transplant and realization of Bootloader Object(Blob)based on PXA27x embedded systems ZHANG Yi1 WU Tao2 YANG Peng3(1,2 School of Software Engineering,3 School of Materials Science&Engineering.Huazhong University of scienc

3、e and Technology,Wuhan,China)Abstract：By the widely usage of Intels new CPU PXA27x in various kinds of smart terminals,the designing and transplanting of Blob(Bootloader Object)has already been boomed in embedded areas.This paper will focus on the booting process of Blob itself,try to provide develo

4、pers with some suggestions of expanding testing functions as well as a general model of that how to transplant it to different platforms.This can be helpful for following developers.Keywords:pxa27x processor;blob;monitor procedure;transplant 一引言 一般而言，嵌入式系统常常是针对某种特定应用的，其应用软件与操作系统一般联系成一体，系统硬件提供商所面对的往往

5、是二次开发商而不是最终用户，不清楚最终要用的是什么操作系统。为了适应由此带来的操作系统配置的多样性和灵活性，嵌入式系统一般采用的处理方式是使用 bootloader 引导程序，将它从操作系统中隔离出来。嵌入式系统采用 bootloader 程序还有以下原因，当采用 flash 或者 EPROM 存储操作系统映像时，如果让系统直接运行，运行的速度赶不上其在 RAM 中的速度，所以一般将映像读入 RAM 中再运行；操作系统的映像往往都比较大，采用压缩存储可以节省不少空间，将被压缩的映像从flash或ROM中搬运出来到RAM中解压缩后再执行也是一个通用的做法。于是，系统就需要一段在 flash 或

6、ROM 中运行，独立于操作系统的映像，并且在系统上电后可以控制上述过程的程序1。历来在嵌入式系统的设计中，bootloader 的设计都是整个工程的重点和难点，本文讨论的 Blob 最初是Erik Mouw 在 2000 年开发 LART 板的 bootloader 程序，和大多数的 bootloader 一样，它需要完成基本硬件的初始化和引导操作系统启动的工作，经过几年的发展，Blob 已经成为少数几个拥有众多适用功能和具有良好扩展性的 bootloader 之一，从其功能上看已经是小型的操作系统了。h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t

7、 t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛 2 二Blob 的启动过程 在介绍 blob 启动过程之前，首先来看一下嵌入式终端中 flash 各程序及映像文件存放的位置，见图 1：各段的分配如下：Blob：从 0 x0000 0000 0 x0003 8F00，共 254k 字节，存放的就是系统引导装入程序 blob。Parameters:从 0 x0003 8F00 0 x0004 0000，共 2k 字节，内核及文件系统启动时要用到的参数，如根文件系统类型，启动脚本文件名等。Kernel：从 0 x0004 0000 0 x0024 0000,共 2M

8、 字节，存放内核的映像文件。Filesystem：从 0 x0024 0000 开始的空间。为了清楚的描述 Blob 的启动过程，将其分为两个阶段，阶段一（stage 1）和阶段二（stage 2）2：阶段一主要完成的工作：基本的 GPIO 寄存器及系统时钟，外部 RAM 等基本硬件的初始化。拷贝 Blob 的第二阶段的代码及数据拷贝 到 RAM 空间中并设置好堆栈指针。跳转到阶段 2 的 C 程序入口点。阶段二主要完成的工作：初始化一些外围设备，如 CF 卡接口，USB 接口及网卡等。将内核 映像和文件系统映像从 flash 上读到 RAM 空间中。为内核设置启动参数。等待按键进入监控模式，

9、否则调用内核启动系统。启动流程简述如图 2：Blob Parameters Kernel Filesystemm 图 1 Flash 中各段存储分布图 h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛 3 Blob 运行的第一阶段（stage1）：系统上电后，CPU 从 flash 的 0 地址处中开始执行的第一条指令。检查 CPU 当前状态，屏蔽所有中断，初始化基本硬件，包括 GPIO，内存管理寄存器，硬件看门狗，系统时钟设定寄存器等。然后检测及重启内存，如果出错，则进

10、入死循环，等待重新上电。再将 Blob 第二阶段（stage 2）的代码和数据拷贝到 RAM 中，准备好堆栈，开始执行跳床程序跳去 RAM 中的相应地址处执行第二阶段的程序。Blob 运行第二阶段（stage 2）：获取内核启动参数，初始化网口，USB 接口，CF 卡接口等子系统，设定串口波特率，输出打印信息，将内核及文件系统映像读入 RAM 中，初始化系统参数。然后等待键盘按键，10s 内若有键按下，则进入 Blob 的监控程序，否则跳转到内核在 RAM 中的地址，解压内核，启动操作系统。监控程序提供了很丰富的操作命令，如可以下载内核，文件系统镜像到内存，设定 blob 自身 IP 地址，查

11、看当前系统时钟频率，擦写 flash 等诸多功能。10s 内按下键盘？初始化基本硬件 上电复位 将 Blob 第二段代码（stage 2）拷贝到RAM 中，准备好堆栈 初始化网口等子系统，载入内核及文件系统映像，等待键盘按键 进入 Blob 监控程序 出错？内存检测及重启 正常启动内核 跳床，跳到 RAM 中 是否跳过？死循环，等待重启是 否 是 否 按下 未按 图 2 Blob 启动流程图 阶段一 阶段二 h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛 4 三Blob

12、 功能的扩展 移植成功后，开发人员可以根据需要对 blob 监控程序下的功能进行扩展已达到测试硬件平台功能的目的。如：增加 md5 校验功能以检测通过网卡 tftp 下载的正确性；增加软件看门狗功能以掌握硬件看门狗的使用方法；增加 IIC 操作功能以测试对外围 FPGA 的读写操作；增加 LED 灯测试功能以指示各种特定操作，增加启动参数的命令的设定并保存功能等。以设定并保存命令行参数为例，由于 Blob 没有提供适时保存命令行参数的办法，因此这个命令必须从头开始做。设计和编程的思路如下，先将 blob 块连同 parameters 整块（flash 的前 256k bytes）拷贝到某一段内

13、存中，修改完成参数块的内容后，再将上述两个块整体写入到 flash 的 0256k bytes 的地址段中，这样做是因为，根据 flash 硬件的擦写要求，flash 是按块来擦除的，其擦除块的大小从 64k512k 不等，可以从具体硬件厂商的手册看出。具体的操作步骤包括：(1)编写 c 程序的源文件。(2)修改 configure 文件，加入命令名到命令列表。(3)修改 Makefile.am 文件。(4)重新配置并编译。需要注意的小问题：扩展 Blob 命令的时候要注意的是可能有些很基本的函数（如 strcat、strlen 等）需要自己编写，否则就可能出现编译不能通过的情况。四Blob

14、的移植过程总结 程序移植工作的本质，就是将现有的程序做尽量少的改动来适应新的硬件平台。Blob 移植的一般步骤如下：(1)熟悉待开发的嵌入式终端的硬件组成，获取相关的硬件手册，如 cpu 和 flash 的手册，硬件平台的电路图。(2)通过因特网下载获取类似于待开发的嵌入式终端的源代码。如含有 norflash 并将其作为启动加载程序的载体的平台一般选用 blob 或 uboot，而打算采用 nandflash 作为系统引导程序载体的平台一般采用 vivi。(3)根据 cpu 的手册和硬件电路中关于 cpu GPIO 引脚的配置修改 cpu 内部控制寄存器的地址，并设定其值，并设定一些 bus

15、bandwidth 的值。这个过程是整个移植工作很重要的一环，外围硬件最终能否工作和这里的设置都有直接的关系，开发人员需要不断的修改调试最终才能成功。(4)待嵌入式终端串口能通过宿主机的超级终端功能访问后，设定 cpu 的核心频率（cpu core clock）、平台工作频率（Run Mode clock）、内存工作频率（memory clock），系统总线频率（System bus clock）；(5)此时就可以扩展一些监控模式下的测试功能，如看门狗测试等。(6)配置并编译一个可执行的内核映像，下载到终端后，重新加电启动系统，看能否正常引导内核，若能引导才能说 blob 的移植工作基本完成。

16、移植过程中，特别需要注意的有如下几处：(1)CPU 的核心频率及内存时钟和工作时钟（主要是各种时钟控制寄存器，如 CCCR 等）的设定3，5。(2)GPIO，内存控制寄存器的设置（包括地址及值的设置）。(3)串口控制寄存器和波特率的设定。(4)flash 控制器 busbandwith 和 SDRAM busbandwith 的设定。(5)一些编程基础知识也需要注意，如宏定义，及预编译指令的处理。Bootloader 的移植是嵌入式领域中操作系统移植的一个关键之处，每一次移植肯定都要付出一定的努力。作为底层软件开发人员，还应该了解和掌握相关的硬件基础知识（如时序图等），以保证移植工作的顺h t

17、 t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛 5 利进行。五结语 本文介绍的 Blob 已经移植到一个基于 PXA270 处理器的平台上并成功的运行，根据任务的需要所做的相应的扩展功能也运行良好。随着 PXA27x 处理器的逐步推广使用，会有越来越多的开发商和科研机构加入到研究和使用它的行列中，相应的底层移植工作也必将会越来越多，本文总结的移植过程和扩展功能的基本方法必将对类似的系统开发有直接借鉴意义。本文作者创新点：本文作者创新点：本文对移植 blob 的过程做了总结，给

18、出了扩展 blob 现有功能的建议，对从事嵌入式 Linux系统移植与开发工作的人员有直接指导作用。附中文参考文献：附中文参考文献：1 毛德操，胡希明.嵌入式系统采用公开源代码和 StrongARM/XScale 处理器M.杭州：浙江大学出版社。2003 年：563-566 页。2 白伟平，包启亮.基于ARM的嵌入式bootloader浅析J，微计算机信息，2006 年第22 卷第4-2 期：53页，99-100页。3刘娅，基于ARM嵌入式系统的bootloader设计与实现J，现代电子技术，2006 年第7 期总第222 期：142-144页。4詹荣开.嵌入式 Bootloader 技术内幕

19、 Z.IBM DW,2003.5Intel PXA27x Processor Family Developers ManualP,Jan 2006.Intel co.ltd 作者简介：作者简介：张翼，男，1981.10 生，华中科技大学 2004 级硕士研究生，研究方向：嵌入式系统。Email：(430074 武汉 华中科技大学 软件学院)吴涛，男，1972.12 生，博士，副教授。主要研究方向包括：软件开发与复用、软件质量保证与测试等。(430074 武汉 华中科技大学 软件学院)杨鹏，男，1981.11 生，华中科技大学 2005 级硕士研究生，研究方向：系统分析与集成。(430074 武

20、汉 华中科技大学 水电学院数字化工程与仿真中心)Biography:Biography:Zhangyi,Male,born in 1981,the realm of study:embedded systems.Wutao,Male,born in 1972,mainly interested areas:Software development and duplicate usage,Software quality assurance.Yang peng,Male,born in 1981,the realm of study：system analysis and integration.(430074 Huazhong University of science and technology)Zhang Yi,Wu Tao,Yang Peng.h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛