微处理器系统结构与嵌入式系统设计.ppt
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1、yyyy-M-1/37微处理器系统结构与嵌入式系统设计 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望yyyy-M-2/37第十一章第十一章 基于基于ARM的软件系统设计的软件系统设计1、嵌入式软件系统结构及工作流程嵌入式软件系统结构及工作流程2、嵌入式软件系统的引导和加载、嵌入式软件系统的引导和加载S3C2440S3C2440启动过程启动过程、BootLoader BootLoader 基本概念基本概念、U-bootU-boot的分析与移植的分析与移植3、嵌入式
2、、嵌入式Linux操作系统操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统、嵌入式嵌入式LinuxLinux内核内核4、Linux下驱动程序设计示例下驱动程序设计示例打开串口、设置串口打开串口、设置串口、读写串口读写串口、关闭串口关闭串口yyyy-M-3/37第十一章第十一章 习题习题作业:作业:1 1、2 2、3 3、6 6思考:思考:4 4、5 5 航空航天学院航空航天学院清水河清水河清水河清水河 研究院大楼研究院大楼研究院大楼研究院大楼108108陈陈 敏敏email:email: tel tel:028-61830626 028-61830626第第 十十 一一 章章 结结 束束yyyy-M-5/
3、37嵌入式软件系统结构嵌入式软件系统结构l简单的嵌入式应用简单的嵌入式应用 若嵌入式系统的功能需求比较简单,嵌入式系统若嵌入式系统的功能需求比较简单,嵌入式系统软件只需完成较简单的监控、驱动和处理功能,则软件只需完成较简单的监控、驱动和处理功能,则不不需要嵌入式操作系统需要嵌入式操作系统的支持。的支持。如基于如基于8051的应用:玩具、家电、汽车等的控制系统的应用:玩具、家电、汽车等的控制系统l复杂的嵌入式应用复杂的嵌入式应用 若嵌入式系统的功能需求比较复杂,需要图形用若嵌入式系统的功能需求比较复杂,需要图形用户界面、网络管理、存储管理、进程户界面、网络管理、存储管理、进程/线程管理或需要线程
4、管理或需要支持二次开发等,则通过支持二次开发等,则通过嵌入式操作系统嵌入式操作系统的帮助,可的帮助,可以加快嵌入式系统软件的开发进度和可靠性。以加快嵌入式系统软件的开发进度和可靠性。如基于如基于ARM的应用:手机、的应用:手机、PDAyyyy-M-6/37简单嵌入式系统软件结构简单嵌入式系统软件结构l不需要使用操作系统,基于不需要使用操作系统,基于裸机裸机开发开发l系统上电后转移到系统上电后转移到main函数入口,首先进行系统函数入口,首先进行系统初初始化始化,然后进入,然后进入工作循环工作循环直到系统停电或者出现重直到系统停电或者出现重大错误。大错误。void main(void)/变量、参
5、数等的定义及说明变量、参数等的定义及说明 X_init();/系统初始化,一般为汇编代码系统初始化,一般为汇编代码While(1)X();/超级循环超级循环yyyy-M-7/37复杂嵌入式系统软件的一般结构复杂嵌入式系统软件的一般结构ARM+M+I/OHAL、底层封装、部分由、底层封装、部分由OS提供提供BOOTLOADyyyy-M-8/37复杂嵌入式系统软件工作流程复杂嵌入式系统软件工作流程yyyy-M-9/37S3C2440S3C2440启动方式启动方式 三星公司的三星公司的S3C2440支持支持Nor Flash和和Nand Flash启动启动,可以通过硬件跳线可以通过硬件跳线(引脚引脚
6、OM1:0)设设置启动方式。具体含义如下置启动方式。具体含义如下:1OM1:0=00时,处理器从时,处理器从NAND Flash启动启动2OM1:0=01时,处理器从时,处理器从16位宽度的位宽度的Nor Flash启动启动3OM1:0=10时,处理器从时,处理器从32位宽度的位宽度的Nor Flash启动启动4OM1:0=11时,处理器从时,处理器从Test Mode启动启动yyyy-M-10/37S3C2440 Nand Flash在系统上电后在系统上电后,Nand Flash控制器控制器会自动的把会自动的把Nand Flash上的前上的前4K U-BOOT数据搬移到内部数据搬移到内部SR
7、AM的的地址最低端地址最低端(此此SRAM被称为被称为Steppingstone);CPU从内部从内部RAM的的0 x00000000位位置开始启动并在置开始启动并在uboot启动代码的启动代码的前前4K里完成里完成S3C2440的核心配置,的核心配置,然后把然后把U-BOOT剩余部分搬到剩余部分搬到RAM中运行;中运行;S3C2440 Nand FlashS3C2440 Nand Flash启动过程启动过程yyyy-M-11/37引导程序引导程序BootLoaderBootLoaderl是嵌入式系统在加电启动后执行的第一段代码,功是嵌入式系统在加电启动后执行的第一段代码,功能类似能类似pc机
8、的机的BIOS和和OS Loader,通常需要,通常需要固化固化在目标板中;在目标板中;l主要负责主要负责CPU、存储器及相关硬件的、存储器及相关硬件的初始化初始化,以及,以及将将装载操作系统装载操作系统映像到内存中,然后跳转到规定的映像到内存中,然后跳转到规定的地址地址启动操作系统启动操作系统运行。运行。Bootloader是严重依赖硬件而实现的,每一种不是严重依赖硬件而实现的,每一种不同体系结构的处理器都有不同的同体系结构的处理器都有不同的Bootloader,甚至,甚至同一种处理器的外围硬件配置不同,其同一种处理器的外围硬件配置不同,其Bootloader也有差别。因此开发特定的也有差别
9、。因此开发特定的Bootloader是构建嵌入是构建嵌入式式linux系统之前的一项必要的基础工作。系统之前的一项必要的基础工作。yyyy-M-12/37BootloaderBootloader的开发的开发Stage1(汇编实现)(汇编实现)1.基本硬件设备初始化:基本硬件设备初始化:CPU时钟频率,寄存器,存储器数据时钟频率,寄存器,存储器数据宽度、访问周期、刷新周期,中断系统,宽度、访问周期、刷新周期,中断系统,I/O端口端口等;等;2.为第二阶段准备为第二阶段准备RAM空间,设置堆栈;空间,设置堆栈;3.复制第二阶段代码到复制第二阶段代码到RAM中,并跳转到第二阶段入口点中,并跳转到第二
10、阶段入口点Stage2(C实现)实现)1.初始化本阶段要使用的硬件设备,初始化本阶段要使用的硬件设备,实现对板级驱动的支持;实现对板级驱动的支持;2.检测系统内存映射;检测系统内存映射;3.将内核镜像和根文件系统镜像从将内核镜像和根文件系统镜像从flash读到读到RAM中;中;4.为内核设置启动参数;为内核设置启动参数;5.将将PC指针指向内核的入口处,指针指向内核的入口处,调用内核。挂载文件系统;调用内核。挂载文件系统;yyyy-M-13/37Linux Linux 环境下环境下BootLoaderBootLoader种类种类BootloaderMonitor描描 述述x86ARMPower
11、PCLILO否否Linux磁盘引导程序磁盘引导程序是是否否否否GRUB否否GNU的的LILO替代程序替代程序是是否否否否Loadlin否否从从DOS引导引导Linux是是否否否否ROLO否否从从ROM引导引导Linux而不需要而不需要BIOS是是否否否否Etherboot否否通过以太网卡启动通过以太网卡启动Linux系统系统的固件的固件是是否否否否LinuxBIOS否否完全替代完全替代BUIS的的Linux引导引导程序程序是是否否否否BLOB否否LART等硬件平台引导程序等硬件平台引导程序否否是是否否U-boot是是通用引导程序通用引导程序是是是是是是RedBoot是是基于基于eCos的引导程
12、序的引导程序是是是是是是yyyy-M-14/37U-bootU-boot的分析与移植的分析与移植U-boot全称全称 Universal Boot Loader,支,支持持ARM体系等多种处理器,包含常见的外设的体系等多种处理器,包含常见的外设的驱动,是一个开源的、功能强大的板极支持包;驱动,是一个开源的、功能强大的板极支持包;由德国由德国DENX软件工程中心的软件工程中心的Wolfgang Denk维护。维护。U-boot启动时处于正常的启动时处于正常的启动加载启动加载模式,模式,但是它会延时指定时间(单位秒)等待终端用但是它会延时指定时间(单位秒)等待终端用户按下任意键而切换到户按下任意键
13、而切换到下载模式下载模式,如果在指定,如果在指定时间内用户没有按键,则继续启动操作系统。时间内用户没有按键,则继续启动操作系统。yyyy-M-15/37U-bootU-boot主要包括以下目录主要包括以下目录lboard:该目录存放了该目录存放了U-Boot支持的一些已有开发板的信息。每一个开支持的一些已有开发板的信息。每一个开发板都以一个子目录出现在当前目录中,如发板都以一个子目录出现在当前目录中,如SMDK2410子目录中存放与子目录中存放与2410开发板相关的配置文件,但由于自行设计的目标板即使与已有开发开发板相关的配置文件,但由于自行设计的目标板即使与已有开发板使用相同处理器,但其他硬
14、件配置不一定相同,所以需要参考该目录板使用相同处理器,但其他硬件配置不一定相同,所以需要参考该目录下的内容来进行修改,例如根据使用的下的内容来进行修改,例如根据使用的Flash存储器的宽度和容量,可以存储器的宽度和容量,可以修改修改flash.c中对应的参数。中对应的参数。lcommon:该目录存放的是该目录存放的是U-Boot命令行界面下支持的各条命令的实现命令行界面下支持的各条命令的实现源码。每一条命令都对应一个文件,例如源码。每一条命令都对应一个文件,例如bootm命令对应就是命令对应就是cmd_bootm.c。通常主要关心与内核引导有关的。通常主要关心与内核引导有关的cmd_boot.
15、c和和cmd_bootm.c等代码。等代码。lcpu:该目录存放了该目录存放了U-Boot支持的支持的CPU类型。每一款类型。每一款U-Boot下支持的下支持的CPU在该目录下对应一个子目录,比如在该目录下对应一个子目录,比如S3C2440A采用的是采用的是ARM920T内内核,则子目录核,则子目录arm920t下即是对该处理器核的支持源码。下即是对该处理器核的支持源码。CPU相关的文相关的文件主要是初始化一个执行环境,包括中断的初始化。其中有一个重要文件主要是初始化一个执行环境,包括中断的初始化。其中有一个重要文件件start.s,该文件是一个汇编源文件,它是整个,该文件是一个汇编源文件,它
16、是整个U-Boot执行的第一段代执行的第一段代码,它的功能是将整个码,它的功能是将整个U-Boot目标代码重定位,也就是将目标代码重定位,也就是将U-Boot转移转移至内存中去运行。至内存中去运行。yyyy-M-16/37U-bootU-boot主要包括以下目录主要包括以下目录ldrivers:U-Boot支持的各种设备驱动程序都放在该目录,比如各种网卡、支持的各种设备驱动程序都放在该目录,比如各种网卡、支持支持CFI的的Flash、串口和、串口和USB等。等。lfs:该目录存放该目录存放U-Boot支持的文件系统,例如支持的文件系统,例如fat、fdos、jffs2、cramfs、ext2和
17、和reiserfs等。等。linclude:U-Boot使用的头文件,还有对各种硬件平台支持的汇编文件,使用的头文件,还有对各种硬件平台支持的汇编文件,系统的配置文件和对文件系统支持的文件。该目录下系统的配置文件和对文件系统支持的文件。该目录下configs目录有与开目录有与开发板相关的配置头文件。该目录下的发板相关的配置头文件。该目录下的asm目录有与目录有与CPU体系结构相关的头体系结构相关的头文件,文件,ARM对应的是对应的是asm-arm。llib_xxx:与体系结构相关的库文件。与与体系结构相关的库文件。与ARM相关的库放在相关的库放在lib_arm中。中。lnet:与网络协议栈相关
18、的代码,与网络协议栈相关的代码,BOOTP协议、协议、TFTP协议、协议、RARP协议协议和和NFS文件系统的实现。文件系统的实现。ltools:生成生成U-Boot的工具,如:的工具,如:mkimage,crc等等。等等。ldoc:文档目录。文档目录。U-Boot有非常完善的文档,推荐参考阅读。有非常完善的文档,推荐参考阅读。yyyy-M-17/37U-bootU-boot的运行过程分析的运行过程分析U-Boot的阶段一代码通常放在的阶段一代码通常放在start.s文件中,用汇编语言写成,其主要文件中,用汇编语言写成,其主要功能是设置处理器状态、初始化中断和内存时序、对整个功能是设置处理器状
19、态、初始化中断和内存时序、对整个U-Boot目标代目标代码进行重新定位。码进行重新定位。阶段一刚开始的代码是处理器的异常处理向量表:阶段一刚开始的代码是处理器的异常处理向量表:.globl_start;系统复位的位置,由;系统复位的位置,由U-Boot.ld决定决定_start:b reset;0 x00000000,各个异常向量对应的跳转代码,各个异常向量对应的跳转代码 ldr pc,_undefined_instruction;0 x00000004,未定义指令异常,未定义指令异常 ldrpc,_software_interrupt ;0 x00000008,软件中断异常软件中断异常 ld
20、r pc,_prefetch_abort ;0 x0000000c,预取中止异常,预取中止异常 ldrpc,_data_abort ;0 x00000010,数据中止异常,数据中止异常 ldrpc,_not_used ;0 x00000014,未使用,未使用 ldrpc,_irq ;0 x00000018,中断异常,中断异常 ldrpc,_fiq ;0 x0000001c,快速中断异常,快速中断异常当发生各类异常时,当发生各类异常时,CPU将执行将执行interrupts.c中对应定义的中断处理函数。中对应定义的中断处理函数。yyyy-M-18/37U-bootU-boot的运行过程分析的运行
21、过程分析reset:/*set the cpu to SVC32 mode*/mrsr0,cpsrbicr0,r0,#0 x1forrr0,r0,#0 xd3msrcpsr,r0 从以上代码可以看出,其功能主要是修改程序状态寄从以上代码可以看出,其功能主要是修改程序状态寄存器存器CPSR的相关值,修改后的相关值,修改后CPSR的低八位变为二进制值的低八位变为二进制值11x10011,依其值可知,依其值可知CPU进入进入SVC管理模式,且中断管理模式,且中断和快速中断均被关闭。和快速中断均被关闭。后续代码功能分别是关闭看门狗、禁止中断、配置处后续代码功能分别是关闭看门狗、禁止中断、配置处理器内部
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- 关 键 词:
- 微处理器 系统 结构 嵌入式 设计
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