ARM7TDMI-S在嵌入式系統中的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。在嵌入式系統設計中，針對嵌入式處理器和操作系統的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 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之前執行的一段代碼，主要是為運行操作系統提供基本的運行環境，如初始化CPU堆棧、初始化存儲器系統等。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）程序，但是由于嵌入式系統的軟硬件都要比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。嵌入式系統的核心部件是嵌入式處理器。隨著嵌入式系統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展。基于ARM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Bootloader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控制和醫療系統。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中的程序執行前，需要對系統硬件和軟件運行環境進行初始化。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；

*初始化系統中要使用的各種片內外設；

*初始化目標板；

*引導操作系統。

2.2 Bootlader代碼設計的一般流程

Bootloader代碼是嵌入式系統中應用程序的開頭部分，它與應用程序一起固化在ROM中，并首先在系統上運行。設計好Bootloader代碼是設計嵌入式程序的關鍵，也是系統能夠正常工作的前提。Bootloader代碼所執行的操作主要信賴于CPU內核的類型，以及正在開發的嵌入式系統軟件中需要使用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。針對該款芯片和多任務實時操作系統的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)|(15);

#endif

#if(Fcco/Fcclk)==2

PLLCFG=((Fcclk/Fosc)-1|(25);

#endif

#if(Fcco/Fcclk)==4

PLLCFG=((Fcclk/Fosc)-1|(35);

#endif

#if(Fcco/Fcclk)==8

PLLCFG=((Fcclk/Fosc)-1)|(45);

#endif

PLLFEED=0xaa;

PLLFEED=0x55;

while(PLLSTAT (110)==0)

PLLCON=3;

PLLFEED=0xaa;

PLLFEED=0x55;

/*設置存儲器加速模塊*/

MAMCR=2；

#if Fcclk20000000

MAMTIM=1;

#else

#if Fcclk40000000

MAMTIM=2;

#else

MAMTM=3;

#endif

#endif

/*初始化VIC，使芯片在進入μC/OS-II多任務環境前關中斷*/

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芯片開發的系統上運行并測試通過。針對不同的CPU芯片編寫Bootloader代碼，首先要了解該CPU的內核結構、指令系統，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。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。