浅析基于ARM嵌入式开发的BootLoader设计及其实现
摘 要
随着社会经济的不断发展，我国的计算机技术、通信技术、工业控制技术也有了较大发展。在此背景下，嵌入式系统开发技术也有了迅速发展，并且已经被广泛应用在社会的方方面面。本文首先分析了基于ARM嵌入式开发BootLoader的功能，又详细阐述了具体的构建思路，在此基础上，详细分析了BootLoader设计的一般模式和其中涉及到的关键技术，期望能对相关研发部门，提供必要的参考。
【关键词】ARM BootLoader设计 模式 关键技术
随着社会经济的高速发展，移动互联网的普及，嵌入式设备已经被广泛应用在社会的方方面面。嵌入式处理器种类多种多样，有ARM嵌入式架构，还有MIPS、PPC 等嵌入式架构。例如，32位ARM嵌入式处理器，它由于性能好、功能损耗低、价格便宜等优势，已经被广泛应用于电子产品以及移动网络通信方面。当前，利用嵌入式开发的操作系统种类繁多，例如，WindowsCE、Linux等。要想将LINUX嵌入式操作系统准确无误的移植到嵌入式设备上面，就必须开发出相关启动程序将LINUX操作系统读取到内存中运行。这个启动程序就是BootLoader，它的作用便是，将硬件初始化并且进行加载，引导嵌入式操作系统的正常运行。下面本文就对基于ARM嵌入式开发的BootLoader设计问题，进行详细阐述。
1 BootLoader的概念及功能
1.1 BootLoader的概念
BootLoader是嵌入式系统内核运行前的一段程序，这段程序可以初始化硬件设备，并且建立一个内存空间的映射图，将整个嵌入式系统的软硬件环境引领至一个较为舒适的状态，进而为整个系统的正常运行创造一个良好的环境。
1.2 BootLoader的功能
BootLoader能够对嵌入系统的硬件设备、系统的处理器以及相关设备进行初始化；BootLoader 可以将底层硬件的差异给屏蔽、消除掉，让上层应用软件的编写和移植更加简便；BootLoader 可以引领嵌入式系统的内核正常运行，还能起到加载内核的作用；BootLoader能够对内核传递必要的硬件信息。在嵌入式系统的内核启动之后， BootLoader的使命便已完成，通过 BootLoader的引领，整个嵌入式系统的设备就能正常运行，发挥其应用功能。例如，我们熟悉的PC中的引导程序，一般由BIOS和位于MBR的OS BootLoader一起组成，实现对整个程序的引导加载。
2 BootLoader的通用功能介绍
在嵌入式系统中，不同系统结构需要的BootLoader也并不相同，另外，BootLoader还需要依赖具体的嵌入式系统板级设备配置，才能发挥其作用。对于一个ARM嵌入式系统而言，BootLoader要能够真正的发挥其引领、加载内核镜像的作用，还需要做到以下几点：
2.1 对ARM进行初始化
这一点是BootLoader必须要能做到的，通过初始化ARM，才能对相关latile数据进行保存。
2.2 初始化串口
在整个系统运行中，这一环节也具有重要价值，通过初始化串口，能够保持和PC端口进行信息流通。
2.3 启动内核镜像
这一点也是BootLoader必须要做到的，一般情况下，镜像的启动模式，主要有两种启动方式，即：FLASH启动模式和RAM启动模式。但这两种启动模式，必须要满足相关的系统状态，才能启动。首先，CPU寄存状态当中，要保持R0=0；其次，启动参数相关的数据列表要注重保持在RAM中的起始地址；最后，CPU模式要注重采用SVC模式。
3 BootLoader的设计
3.1 阶段设计
在对BootLoader进行设计时，考虑到编程语言的因素，可以将BootLoader分为两个阶段进行设计。在第一个阶段设计时，可以采用汇编语言来实现，通过对cpu以及相关存储设备进行初始化工作，完成驱动内核加载。例如，本文将阶段一中的这段汇编文件定名为rom reset.s。编制时，首先要做伪代码：1、定义ARM模式的栈大小如.equMonstacksz，4096，.equ fiqstacksz，4096等；2、申明各模式的栈，.global monstack，.global fiqstck；3、将栈大小和各模式栈结合，明确分配站大小，.con Monstack，Monstacksz、.com Fiqstack，Fiqstackse；4、申明一些标号量，这些基本工作完成以后，进入初始化工作，以reset标号为标识，进行启动工作，之后对相关数据进行存储：如mcrp15，o，r0，c15，cl，0等；之后清空TLB及写缓冲区，然后再对硬件进行初始化工作，初始化工作时，首先要屏蔽所有的中断，再设置CPU的速度和时钟频率，对SDRAM进行初始化。在进行第二部分设计时，通常采用C语言进行编写，主要通过加载内核镜像并将控制权转让给内核来实现。
3.2 地址规划设计
在BootLoader阶段设计好后，急需解决的是，如何分配镜像存储地址的问题，镜像存贮地址相关的问题较多，其中包括：总镜像应该存贮在什么地方；第二阶段过程中，镜像会被复制到什么地方，BootLoader会将原来的镜像加载到什么地方，同时还得注重在分配镜像的过程中，要注重保证镜像之间不会发生冲突等。假设，嵌入式系统需要的内核镜像和系统根文件系统，都需要被加载到到SDRAM中运行时，就要考虑镜像存贮地址的问题，以免二者在运行过程中出现冲突。例如本文已经将SDRAM的操作模式设置了分配的栈区，在这一阶段要注重为ARM设置栈指针，比如，mrc ro，cpsr，要保存CPRS的值，orr ro，ro，xif中应该清楚相关模式位等。由此可见，BootLoader在启动和加载内核的过程中，要注重考虑到镜像存储的问题。
3.3 BootLoader模式设计
通常情况下，普通用户只需BootLoader的启动加载模式，就可以使用设备了，然而对于系统研发人员而言，要时刻面临着镜像要更新的问题，因此研发人员不仅需要启动加载模式，还需要BootLoader的下载模式。要想设计的模式不仅支持启动加载，还支持下载功能，在BootLoader模式设计的时候，可以遵循以下流程进行操作：在BootLoader初始完系统的硬件工作之后，加载内核镜像程序前期，要注重在一定时间内观察有无用户利用键盘进行输入的情况。倘若没有用户使用键盘输入，则直接加载内核镜像进行启动，倘若有用户利用键盘进行输入，则需要进入命令行格式，如本文将内核镜像存在oxooocooo处，然后将FLASH中的kernel拷贝如SDARM中，之后设置启动参数并加载。而研发人员要注重根据自己的实际需求，结合BootLoader的支持情况，做一定的工作。例如，进行FTP文件传输工作，进行下载。
4 结束语
BootLoader是在嵌入式系统迅猛发展下的产物，它能够对系统硬件进行初始化，引领操作系统内核的启动和加载，并能够对系统运行中的各种参数进行检测，保证系统内核的运行和应用。在当前社会经济快速发展、网络等信息技术迅速发展的背景下，要注重对系统的BootLoader进行科学合理的设计，进而提高嵌入式操作系统的稳定性，促进系统的良好运转。
参考文献
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作者单位
楚雄医药高等专科学校 云南省楚雄彝族自治州 675005
