ARM7TDMI-S在嵌入式系统中的Bootloader代码设计

    摘要：ARM7TDMI-S是ARM公司设计的一款32位精简指令集处理器内核，LPC210x系列是飞利浦半导体公司生产的基于ARM7TDMI-S内核的芯片。在嵌入式系统设计中，针对嵌入式处理器和操作系统的Bootloader代码的设计是一个难点。本文根据用LPC2106进行嵌入式系统设计的实际经验，总结出基于ARM7TDMI-S内核的嵌入式处理器芯片的Bootloader代码设计的一般流程；给出LPC2106芯片在基于μC/OS-II操作系统的嵌入式应用中，BootLoader程序的详细设计流程及其中的一些关键技术和代码。

    关键词：ARM7TDMI-S嵌入式系统 BootLoader代码 LPC2106 μC/OS-II

引言

芯片的Bootloader代码（即启动代码）就是芯片复位后进入操作系统之前执行的一段代码，主要是为运行操作系统提供基本的运行环境，如初始化CPU堆栈、初始化存储器系统等。Bootloader代码与CPU芯片的内核结构、具体芯片和使用的操作系统等因素有关。其功能有点类似于PC机的BIOS（Basic Input/Output System,基本输入输出系统）程序，但是由于嵌入式系统的软硬件都要比PC机的简单，所以它的Bootloader代码要比BIOS程序简单得多。

嵌入式系统被定义为：以应用中为心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适用于系统对功能、可靠性、成本、何种、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。随着嵌入式系统在人们日常生活中的广泛运用，嵌入式处理器得到前所未有的飞速发展。基于ARM核的嵌入式处理器芯片种类繁多。由于ARM公司只设计内核的不生产具体的芯片，即便是基于同一种内核，不同厂家生产的芯片差别很大，因此不易编写出统一的Bootloader代码。ARM公司针对这一问题而采取的策略是，不提供完事的Bootloader代码（ARM公司的开发工具ADS提供了一些功能代码），Bootloader代码不足的部分由芯片厂商提供或者由用户自己编写。飞利浦公司没有提供LPC210x系列的Bootloader代码，所以用户只能自己编写Bootloader代码。

1 ARM7TDMI-S和LPC210x

ARM7TDMI-S是目前比较低端的ARM核—ARM核不是芯片，它与其它部件如RAM、ROM、片内外设组合在一起才构成实际的芯片。ARM7是用于对成本和功耗都非常敏感的消费应用的低价位、低功耗的32位核。其主要特点如下：冯.诺依曼结构、3段流水线、0.9MIPS/MHz；非常低的功耗；嵌入式ICE-RT（In Circuit Emulation-Real Time，实时在线仿真）逻辑。

LPC2104/2105/2106基于一个支持实时仿真和跟踪的ARM7TDMI-S内核，并带有128KB的高速Flash存储器，128位宽度的存储器接口和独特的加速结构，使32位代码能够在最大时钟速率下运行。由于LPC2104/2105/2106具有非常小的尺寸和极低的功耗，它们非常适合于那些将小型化作为主要要求的应用，例如存储取控制和POS机。带有宽范围的串行通信接口、片内多达64KB的SRAM，由于具有大的缓冲区和强大的处理器能力，它们非常适合于通信网关和协议转换器、软件调制解调器、声音识别以及低端的图像处理。而多个32位定时器、PWM输出和32个GPIO，使它们特别适用于工业控制和医疗系统。LPC2106是LPC210x系列的一种，其它两种为LPC2104/2105。它们都基于ARM7TDMI-S内核。三种芯片唯一的区别就是SRAM的容量大小：LPC2106是64KB，而LPC2104是16KB，LPC2105是32KB。

2 Bootloader代码

2.1 Bootloader代码的作用

嵌入式系统的资源有限，应用程序通常都是固化在ROM中运行。ROM中的程序执行前，需要对系统硬件和软件运行环境进行初始化。这些工作是用汇编语言和C语言编写的Bootloader代码完成的。在ARM处理器的嵌入式系统中，Bootloader代码的作用主要有以下几点：

*初始化CPU各种模式的堆栈和寄存器；

*初始化系统中要使用的各种片内外设；

*初始化目标板；

*引导操作系统。

2.2 Bootlader代码设计的一般流程

Bootloader代码是嵌入式系统中应用程序的开头部分，它与应用程序一起固化在ROM中，并首先在系统上运行。设计好Bootloader代码是设计嵌入式程序的关键，也是系统能够正常工作的前提。Bootloader代码所执行的操作主要信赖于CPU内核的类型，以及正在开发的嵌入式系统软件中需要使用CPU芯片上的哪些资源。Bootloader代码的一般流程（即Bootloader代码应该进行的操作）如图1所示。

2.3 基于LPC2104和μC/OS-II是多任务的实时操作系统。针对该款芯片和多任务实时操作系统的Bootloader程序的流程如图2所示。

2．3．2 关键代码分析

；中断向量表，给出了CPU芯片出现异常时应该转去执行的程序地址

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函数，其功能是初始化CPU各种模式的堆栈

InitSatck

MOV R0,LR ；因芯片模式切换，故将程序返回地址保存至R0，同时在初始化堆栈完成后使用R0返回

MSR CPSR_c,#0xd3 ;设置管理模式堆栈

LDR SP，StackSvc

MSR CPSR_c,#0xd2 ;设置中断模式堆栈

LDR SP，StackIrq

MSR CPSR_c,#0xd1 ;设置快速中断模式堆栈

LDR SP，StackFiq

MSR PSR_c,#0xd7 ;设置中止模式堆栈

LDR SP，StackAbt

MSR CPSR_c,#0xdb ;设置未定义模式堆栈

LDR SP，StackUnd

MSR CPSR_c,#0xdf ;设置系统模式堆栈

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

;系统初始化代码

Reset

BL InitStack ;调用InitStack函数初始化芯片各种模式的堆栈

BL TargetResetInit ；调用TargetResetInit函数对系统进行基本初始化

B _main ；跳转到ADS提供的启动代码_main函数处，它初始化函数库并最终引导CPU进入操作系统的main()函数

    上面的程序代码只包含了流程图中的几个主机步骤。这些步骤都是必不可少的，其余的步骤都在TargetResetInit函数中加以实现。本例中的TargerReset Init函数如下：

void TargetResetInit(void)

{/*设置系统各部分时钟*/

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;

/*设置存储器加速模块*/

MAMCR=2；

#if Fcclk<20000000

MAMTIM=1;

#else

#if Fcclk<40000000

MAMTIM=2;

#else

MAMTM=3;

#endif

#endif

/*初始化VIC，使芯片在进入μC/OS-II多任务环境前关中断*/

VICIntEnClr=0xffffffff;

VICVectAddr=0;

VICIntSelect=0;

/*其它步骤的代码与实际的软件功能相关，不具有代表性，故在此不列出*/

}

3 结论

本文介绍的Bootloader代码已经在基于Philips公司的LPC2106芯片开发的系统上运行并测试通过。针对不同的CPU芯片编写Bootloader代码，首先要了解该CPU的内核结构、指令系统，其次是具体芯片的结构和各种片上资源，以及所采用的操作系统。以上所列的设计流程不是一成不变的，在具体应用中要权衡取舍。