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1、系统引导程序(Bootloader)的设计与实现XXXXXXXXX2011届毕业设计说明书系统引导程序（Boot-loader）的设计与实现系、部： 计算机与信息科学系 学生姓名： 指导教师： 职称 专业： 计算机科学与技术 班级： 完成时间： 2011年6月3日 摘要随着移动设备的流行和发展，嵌入式系统已经成为一个热点。它并不是最近出现的新技术，只是随着微电子技术和计算机技术的发展，微控制芯片功能越来越强大，而嵌入微控制芯片的设备和系统越来越多，从而使得这种技术越来越引人注目。它对软硬件的体积大小、成本、功耗和可靠性都提出了严格的要求。嵌入式系统的功能越来越强大，实现也越来越复杂，随之出现的
2、就是可靠性大大降低。最近的一种趋势是一个功能强大的嵌入式系统通常需要一种操作系统来给予支持，这种操作系统是已经成熟并且稳定的,可以是嵌入式的Linux，WINCE等等。相应地，这也给处理器提出了要求。当今，众多的半导体厂商都生产基于ARM体系结构的通用微处理芯片，ARM技术已经在当今的嵌入式微处理器领域中占据了它的领先地位。究其原因，它的以精简指令构架为主又不放弃与复杂指令平衡的设计，使得在获得高性能的同时又能做到低功耗。本文所要研究的就是基于ARM嵌入式系统bootloader的设计与实现。Bootloader是嵌入式系统中执行在内核操作系统前的一段代码，它的基本作用就是加载内核镜像。在实践
3、平台上，本课题硬件上采用了ARM9系列的S3C2440A作为处理器，具有一定的代表性，并以此来搭建课题的硬件实践平台，软件上以Linux作为操作系统。关键词：嵌入式系统;ARM;BootloaderABSTRACTWiththepopularityofmobiledevicesanddevelopmentofembeddedsystemshasbecomeahotspot.Itisnotarecentemergenceofnewtechnology,butwiththemicroelectronicsandcomputertechnology,moreandmoremicro-controlc
4、hipfunctions,andembeddedmicro-controllerchipdevicesandsystemsmoreandmore,makingthistechnologymoreandmorenoticeable.Thevolumeofitshardwareandsoftwaresize,cost,powerconsumptionandreliabilityhavemadestringentrequirements.Morepowerfulembeddedsystemstoachievemoreandmorecomplex,theresultingreliabilityisgr
5、eatlyreduced.Amorerecenttrendisapowerfulembeddedsystemsusuallyrequireanoperatingsystemtosupportthisoperatingsystemisalreadymatureandstable,canbeembeddedLinux,WINCEandsoon.Accordingly,italsomadearequesttotheprocessor.Today,manysemiconductormanufacturersareproducinggenericarchitecturebasedonARMmicro-p
6、rocessingchip,ARMtechnologyhasintodaysembeddedmicroprocessorsoccupyitsleadingposition.Thereasonismainlythatitsreducedinstructionsetarchitectureandcomplexinstructionsnottogiveabalanceddesign,makesdowhileachievinghighperformancewithlowpowerconsumption.ThispaperistostudytheARM-basedembeddedsystemdesign
7、andimplementationofbootloader.Bootloaderistheimplementationofembeddedsystemsintheperiodbeforetheoperatingsystemkernelcode,anditsbasicfunctionistoloadthekernelimage.Inpracticeplatform,thesubjectofhardwareS3C2440AusedastheARM9familyprocessor,withacertainrepresentation,andinordertobuildapracticalplatfo
8、rmhardwareissues,softwaretoLinuxastheoperatingsystem.Keywords:embeddedsystem;ARM;Bootloader目录摘要IABSTRACTII1绪言11.1研究背景11.2主要研究工作21.3主要内容22ARM处理器简介32.1ARM处理器32.1.1ARM处理器介绍32.2ARM处理器的优势72.2.1RISC指令集72.2.2低功耗83ARM体系结构介绍103.1ARMcore描述103.2ARM处理器工作状态及模式113.2.1ARM处理器模式113.2.2ARM寄存器组介绍123.2.3ARM存储系统153.2.4A
9、RM指令集介绍163.2.5ARM体系的异常中断173.3ARM最小系统描述194Bootloader的概念204.1Bootloader的基本概念204.2Bootloader的操作模式214.3Bootloader的概念扩展214.4ARMBootloader的共性225Bootloader的设计与实现245.1课题研究的平台环境245.1.1硬件平台245.1.2软件环境以及软件开发工具255.2Bootloader的总体设计265.2.1阶段设计265.2.2地址规划设计265.2.3模式设计275.3Bootloader的具体实现305.3.1阶段1的代码实现305.3.2阶段2的代
10、码实现345.3.3代码的编译376总结与展望40参考文献41致谢421绪言1.1研究背景随着人民生活水平提高带来巨大的消费需求、信息化进程的推进、电信运营业的发展，信息产业市场空间将得到进一步拓展。在这良好的经济环境下，嵌入式系统领域得到进一步的拓宽与发展。嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可剪裁来适应系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各行业的具体应用相结合后的产物，它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统广泛地应用在信息终端、工业控制和信息家电等领域。在嵌入
11、式系统的开发中，嵌入式软件是实现各种系统功能的关键，也是计算机技术最活跃的研究方向之一。不同应用对嵌入式软件系统有不同的要求，并且随着计算机技术的发展，这些要求也在不断变化。通常，应用系统对嵌入式软件的基本要求是体积小、执行速度快、具有较好的可剪裁性和可移植性。特别地，现在对嵌入式软件来说，都需要操作系统的支持。简单的嵌入式系统根本没有操作系统，而只是一个控制循环。但是，当系统变得越来越复杂时，就需要一个嵌入式操作系统来支持，否则应用软件就会变得过于复杂，使开发难度过大，安全性和可靠性都难以保证。嵌入式软件，特别是操作系统的支持，使得对硬件的要求越来越高。针对嵌入式系统的各种微处理器遍布各个角
12、落。特别是采用ARM技术IP核的各种微处理器遍及各类产品市场。ARM技术以其较高的性能和功效，使得在嵌入式系统中得到广泛应用。世界上几乎所有的主要半导体厂商都生产基于ARM体系结构的通用芯片，如TI，Motorola，Intel，NS，Ateml，Philips，SAMSUNG等。目前，ARM芯片广泛应用于汽车电子、保安设备、无线通信、智能手机等多个领域。应该说，ARM无处不在。随着嵌入式产品中高端微处理器ARM的加入以及软件上操作系统的支持，使得整个嵌入式系统拥有了完整的构架。现在，专门为嵌入式产品开发的各个操作系统层出不穷，WINDOWCE，POCKETPC，Linux等等，各界关注地也特
13、别多。然而，如何进行加载操作系统这个问题却很少有人提出。这就产生了另一个相关主题bootloader。Bootloader本身的功能就是引导与加载内核镜像。如何实现bootloader的基本功能，如何针对基于ARM体系的微处理器来实现bootloader，就成为本课题的一个基本论题。1.2主要研究工作本文的题目尽管涉及到ARM系统，但是，由于bootloader的特殊性以及个别性，即bootloader与具体的处理器以及具体的硬件系统紧密联系在一起，需要实际的完整硬件系统支持，而基于ARM920T体系的芯片实在太多，每款芯片除了具有基本的ARM体系结构的通性外，通常还具有各自独特的特性，还需分
14、别处理。因此，在真正的开发环节上，本课题主要基于ARM920T体系构架的S3C2440A处理器，很具有代表性，并由此在理论上扩展到整个ARM系统。在实现过程中具体研究开发如下：选择基于ARM920T构架的S3C2440A芯片作为处理器，并以此构建一套硬件开发系统与实际项目接轨，选择GNU的linux作为系统的操作系统在上述软硬件开发系统上实现基于S3C2440A的bootloader的基本功能，即引导加载内核镜像的功能在ARM920T的构架基础上在理论上扩展到ARM系统，分析对于ARM系统，bootloader实现的一些共性以及一些限制分析对于实现bootloader，移植到其他ARM平台的相
15、关处理1.3主要内容根据所涉及的主要研究工作，本文的内容主要包括一下几个部分：第2章简要叙述ARM世界的一些主流处理器以及其优势特点；紧接着第3章则详细描述了ARM的体系结构，指令系统；第4章的内容是介绍bootloader的概念，并专门针对ARMbootloader进行了详细说明；第5章在介绍软硬件平台之后详细介绍了bootloadr的实现；最后一章进行一下总结与展望。2ARM处理器简介嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30多个系列。嵌入式微处理目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、MIPS、ARM系列等。其中，ARM是一种近年来在嵌入式系统中有着强大影响力的微处理器设计商和制造商，ARM的设计非常适合与小的电源供电系统。特别是，随着近年来，微处理器结构由RISC（精简指令集）全面取代传统的CISC（复杂指令集），因为ARM是著名的RISC的拥护者。2.1ARM处理器ARM（AdvancedRISCMachines），既可以认为是一个公司的名字，也可以是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1991年ARM公司成立
