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Motorola微處理器的bootloader分析與應(yīng)用
摘要：以Motorola 32位處理器ColdFire5307為例，分析、介紹Motorola公司用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的dBUG通用bootloader軟件的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理及應(yīng)用。引 言
??bootloader是用來完成系統(tǒng)啟動和系統(tǒng)軟件加載工作的程序。它是底層硬件和上層應(yīng)用軟件之間的一個(gè)中間件軟件，完成處理器和周邊電路正常運(yùn)行所要的初始化工作；可以屏蔽底層硬件的差異，使上層應(yīng)用軟件的編寫和移植更加方便；不僅具有類似PC機(jī)上常用的BIOS(Basic Input Output System，基本輸入、輸出系統(tǒng)監(jiān)控程序)功能，而且還可具有一定的調(diào)試功能。目前，在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中有多種bootloader可供選擇，其中Motorola公司的名為dBUG的bootloader比較優(yōu)秀。它可以移植在Motorola MC68000、ColdFire和PowerPC系列所有微處理器上面，有強(qiáng)大的調(diào)試功能，支持單步、下載、網(wǎng)絡(luò)更新等；其良好的軟件架構(gòu)使用戶能很方便地修改其代碼，擴(kuò)展新的功能。本文以作者用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲的coldfire5307C3開發(fā)板為例，簡析其上的dBUG bootloader的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制，并給出實(shí)際修改范例。
1 bootloader源碼結(jié)構(gòu)
(1)bootloader的文件組織
dBUG bootloader源代碼可以從Motorola公司網(wǎng)站獲得。它是一個(gè)范例程序，通過修改相應(yīng)的配置文件和處理器相關(guān)文件，可以很方便地移植到不同的處理器系統(tǒng)上。其源碼由兩個(gè)部分組成，一部分是lib項(xiàng)目，另外一部分是每種Motorola微處理器單獨(dú)的處理器項(xiàng)目。比如，ColdFire 5307就使用MCF5307C3項(xiàng)目和lib項(xiàng)目一起來生成最終的dBUG代碼。其中l(wèi)ib項(xiàng)目中是與處理器無關(guān)的一些命令或者函數(shù)，而每個(gè)單獨(dú)的處理器項(xiàng)目是和每種不同的處理器息息相關(guān)的。在編譯的時(shí)候，首先需要將lib項(xiàng)目編譯生成標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)(也就是將一些通用命令和函數(shù)先封裝起來)。然后，編譯MCF5307C3項(xiàng)目，就會將剛才編譯的lib項(xiàng)目和MCF5307C3項(xiàng)目結(jié)合在一起生成最終代碼。
整個(gè)dBUG bootloader代碼的架構(gòu)比較復(fù)雜，其源碼按功能可分為3個(gè)模塊[1]：User Interface Component、CPU-specific Component、Board-specific Component。用戶進(jìn)入dBUG的目錄以后，會看到三個(gè)子目錄，如圖1所示[1，2]。
① 第一個(gè)目錄是bin目錄，在該目錄下面主要是一個(gè)簡單的TFTP Server軟件。TFTP是簡單的FTP(文件傳輸協(xié)議)。它是基于UDP協(xié)議的，主要用來下載程序目標(biāo)代碼。
② 第二個(gè)目錄是prog目錄，下面主要是lib項(xiàng)目和MCF5307C3項(xiàng)目的項(xiàng)目組織文件和一部分源代碼。在prog目錄下面的libdbug目錄下，有l(wèi)ib項(xiàng)目的項(xiàng)目管理文件libdbug.mcp，使用CodeWarrior可以打開該項(xiàng)目文件和編譯等。prog目錄下面的M5307C3目錄下是ColdFire 5307系統(tǒng)的項(xiàng)目文件，而該目錄下的obj目錄下是生成的dBUG目標(biāo)代碼。src目錄下是5307項(xiàng)目的項(xiàng)目管理文件。用戶可以使用CodeWarrior，打開M5307C3目錄下的/src/dbug/mwerks/m5307c3.mcp項(xiàng)目管理文件來編譯代碼。
③ 第三個(gè)目錄是src目錄，是dBUG的主要源代碼。
綜上所述，用戶只要打開m5307c3.mcp和libdbug.mcp兩個(gè)項(xiàng)目文件，即可以看到dBUG所有的源代碼。
(2)與處理器和外圍硬件配置相關(guān)的文件
① 入口文件：vector.s。
存有處理器復(fù)位初始入口地址、跳轉(zhuǎn)指令及中斷矢量表。
② 初始化匯編語言文件：mcfxxxx_lo.s。
功能為預(yù)初始化處理器、調(diào)用初始化函數(shù)及跳轉(zhuǎn)到main主函數(shù)。其中xxxx表示某特定的處理器型號，如5307。
③ 初始化C語言文件：Sysinit.c。
內(nèi)含多個(gè)初始化函數(shù)，功能為初始化處理器及各底層硬件。
④ 系統(tǒng)配置文件：Config.h和Board.h 。
Config.h
設(shè)定板上處理器類型和其它模塊功能。
Board.h
設(shè)定板上各參數(shù)信息，如片外Flash和SDRAM大小、類型、數(shù)據(jù)寬度和地址范圍、劃分板上內(nèi)存空間范圍、系統(tǒng)時(shí)鐘大小、系統(tǒng)總線速率以及一些其它要用到的系統(tǒng)常量。
⑤ 連接配置文件：Flash.lcf。
設(shè)定連接時(shí)各函數(shù)空間地址及內(nèi)存分配。
⑥ 預(yù)包含頭文件：mxxxx_mwerks.h和mwerks.h。
兩函數(shù)被所有的C語言和匯編語言函數(shù)包含，它們設(shè)定CodeWarrior 預(yù)處理器所用到的常量和編譯器編譯選項(xiàng)。
2 bootloader運(yùn)行流程簡介
bootloader啟動流程如圖2所示。
系統(tǒng)上電復(fù)位后，跳到Boot ROM的最低地址處。Boot ROM的開始空間FFE00000~FFE00400為vector.s中的中斷矢量表。將表中第一個(gè)32位字傳給5307的SP，將第二個(gè)32位字傳給PC，即完成復(fù)位中斷跳轉(zhuǎn)。
該復(fù)位中斷跳轉(zhuǎn)到vector.s中的start處。此處僅初始化sr，然后跳轉(zhuǎn)到mcf5307_lo.s中的asm_startmeup。該段代碼首先進(jìn)行部分初始化和真正初始化前的準(zhǔn)備工作：禁止Cache、禁止中斷和地址轉(zhuǎn)換、初始化用戶指定的內(nèi)部模塊(MBAR)和內(nèi)部SRAM(RAMBAR)起始地址。然后，將SP指向內(nèi)部SRAM空間，即當(dāng)調(diào)用真正的初始化程序時(shí)用內(nèi)部SRAM的一段地址空間作為臨時(shí)堆棧。接下來，調(diào)用sysinit.c文件中的外圍電路和系統(tǒng)配置的初始化程序mcf5307_init()。
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