ARM7TDMI-S在嵌入式系統(tǒng)中的Bootloader代碼設計
摘要：ARM7TDMI-S是ARM公司設計的一款32位精簡指令集處理器內核，LPC210x系列是飛利浦半導體公司生產的基于ARM7TDMI-S內核的芯片。在嵌入式系統(tǒng)設計中，針對嵌入式處理器和操作系統(tǒng)的Bootloader代碼的設計是一個難點。本文根據用LPC2106進行嵌入式系統(tǒng)設計的實際經驗，總結出基于ARM7TDMI-S內核的嵌入式處理器芯片的Bootloader代碼設計的一般流程；給出LPC2106芯片在基于μC/OS-II操作系統(tǒng)的嵌入式應用中，BootLoader程序的詳細設計流程及其中的一些關鍵技術和代碼。
關鍵詞：ARM7TDMI-S嵌入式系統(tǒng) BootLoader代碼 LPC2106 μC/OS-II
引言
芯片的Bootloader代碼（即啟動代碼）就是芯片復位后進入操作系統(tǒng)之前執(zhí)行的一段代碼，主要是為運行操作系統(tǒng)提供基本的運行環(huán)境，如初始化CPU堆棧、初始化存儲器系統(tǒng)等。Bootloader代碼與CPU芯片的內核結構、具體芯片和使用的操作系統(tǒng)等因素有關。其功能有點類似于PC機的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機的簡單，所以它的Bootloader代碼要比BIOS程序簡單得多。
嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應用中為心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適用于系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、何種、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(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)在人們日常生活中的廣泛運用，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公司只設計內核的不生產具體的芯片，即便是基于同一種內核，不同廠家生產的芯片差別很大，因此不易編寫出統(tǒng)一的Bootloader代碼。ARM公司針對這一問題而采取的策略是，不提供完事的Bootloader代碼（ARM公司的開發(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。飛利浦公司沒有提供LPC210x系列的Bootloader代碼，所以用戶只能自己編寫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、片內外設組合在一起才構成實際的芯片。ARM7是用于對成本和功耗都非常敏感的消費應用的低價位、低功耗的32位核。其主要特點如下：馮.諾依曼結構、3段流水線、0.9MIPS/MHz；非常低的功耗；嵌入式ICE-RT（In Circuit Emulation-Real Time，實時在線仿真）邏輯。
LPC2104/2105/2106基于一個支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S內核，并帶有128KB的高速Flash存儲器，128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構，使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。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用，例如存儲取控制和POS機。帶有寬范圍的串行通信接口、片內多達64KB的SRAM，由于具有大的緩沖區(qū)和強大的處理器能力，它們非常適合于通信網關和協議轉換器、軟件調制解調器、聲音識別以及低端的圖像處理。而多個32位定時器、PWM輸出和32個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LPC2104/2105。它們都基于ARM7TDMI-S內核。三種芯片唯一的區(qū)別就是SRAM的容量大?。篖PC2106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，應用程序通常都是固化在ROM中運行。ROM中的程序執(zhí)行前，需要對系統(tǒng)硬件和軟件運行環(huán)境進行初始化。這些工作是用匯編語言和C語言編寫的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：
*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外設；
*初始化目標板；
*引導操作系統(tǒng)。
2.2 Bootlader代碼設計的一般流程
Bootloader代碼是嵌入式系統(tǒng)中應用程序的開頭部分，它與應用程序一起固化在ROM中，并首先在系統(tǒng)上運行。設計好Bootloader代碼是設計嵌入式程序的關鍵，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內核的類型，以及正在開發(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代碼應該進行的操作）如圖1所示。
2.3 基于LPC2104和μC/OS-II是多任務的實時操作系統(tǒng)。針對該款芯片和多任務實時操作系統(tǒng)的Bootloader程序的流程如圖2所示。
2．3．2 關鍵代碼分析
；中斷向量表，給出了CPU芯片出現異常時應該轉去執(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，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，同時在初始化堆棧完成后使用R0返回
MSR CPSR_c,#0xd3 ;設置管理模式堆棧
LDR SP，StackSvc
MSR CPSR_c,#0xd2 ;設置中斷模式堆棧
LDR SP，StackIrq
MSR CPSR_c,#0xd1 ;設置快速中斷模式堆棧
LDR SP，StackFiq
MSR PSR_c,#0xd7 ;設置中止模式堆棧
LDR SP，StackAbt
MSR CPSR_c,#0xdb ;設置未定義模式堆棧
LDR SP，StackUnd
MSR CPSR_c,#0xdf ;設置系統(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 ;調用InitStack函數初始化芯片各種模式的堆棧
BL TargetResetInit ；調用TargetResetInit函數對系統(tǒng)進行基本初始化
B _main ；跳轉到ADS提供的啟動代碼_main函數處，它初始化函數庫并最終引導CPU進入操作系統(tǒng)的main()函數
上面的程序代碼只包含了流程圖中的幾個主機步驟。這些步驟都是必不可少的，其余的步驟都在TargetResetInit函數中加以實現。本例中的TargerReset Init函數如下：
void TargetResetInit(void)
{/*設置系統(tǒng)各部分時鐘*/
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;
/*設置存儲器加速模塊*/
MAMCR=2；
#if Fcclk<20000000
MAMTIM=1;
#else
#if Fcclk<40000000
MAMTIM=2;
#else
MAMTM=3;
#endif
#endif
/*初始化VIC，使芯片在進入μC/OS-II多任務環(huán)境前關中斷*/
VICIntEnClr=0xffffffff;
VICVectAddr=0;
VICIntSelect=0;
/*其它步驟的代碼與實際的軟件功能相關，不具有代表性，故在此不列出*/
}
3 結論
本文介紹的Bootloader代碼已經在基于Philips公司的LPC2106芯片開發(fā)的系統(tǒng)上運行并測試通過。針對不同的CPU芯片編寫B(tài)ootloader代碼，首先要了解該CPU的內核結構、指令系統(tǒng)，其次是具體芯片的結構和各種片上資源，以及所采用的操作系統(tǒng)。以上所列的設計流程不是一成不變的，在具體應用中要權衡取舍。
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