引言
bootloader是用來完成系統啟動和系統軟件加載工作的程序。
它是底層硬件和上層應用軟件之間的一個中間件軟件,完成處理器和周邊電路正常運行所要的初始化工作;可以屏蔽底層硬件的差異,使上層應用軟件的編寫和移植更加方便;不僅具有類似PC機上常用的BIOS(Basic Input Output System,基本輸入、輸出系統監控程序)功能,而且還可具有一定的調試功能。目前,在嵌入式系統開發中有多種bootloader可供選擇,其中Motorola公司的名為dBUG的bootloader比較優秀。它可以移植在Motorola MC68000、ColdFire和PowerPC系列所有微處理器上面,有強大的調試功能,支持單步、下載、網絡更新等;其良好的軟件架構使用戶能很方便地修改其代碼,擴展新的功能。本文以作者用於網絡數據存儲的coldfire5307C3開發板為例,簡析其上的dBUG bootloader的結構和運行機制,並給出實際修改范例。
一、bootloader源碼結構
1、bootloader的文件組織
dBUG bootloader源代碼可以從Motorola公司網站獲得。它是一個范例程序,通過修改相應的配置文件和處理器相關文件,可以很方便地移植到不同的處理器系統上。其源碼由兩個部分組成,一部分是lib項目,另外一部分是每種Motorola微處理器單獨的處理器項目。比如,ColdFire 5307就使用MCF5307C3項目和lib項目一起來生成最終的dBUG代碼。其中lib項目中是與處理器無關的一些命令或者函數,而每個單獨的處理器項目是和每種不同的處理器息息相關的。在編譯的時候,首先需要將lib項目編譯生成標准庫函數(也就是將一些通用命令和函數先封裝起來)。然後,編譯MCF5307C3項目,就會將剛才編譯的lib項目和MCF5307C3項目結合在一起生成最終代碼。
整個dBUG bootloader代碼的架構比較復雜,其源碼按功能可分為3個模塊[1]：User Interface Component、CPU-specific Component、Board-specific Component。用戶進入dBUG的目錄以後,會看到三個子目錄,如圖1所示[1,2]。
圖1 dBUG源碼樹
① 第一個目錄是bin目錄,在該目錄下面主要是一個簡單的TFTP Server軟件。TFTP是簡單的FTP(文件傳輸協議)。它是基於UDP協議的,主要用來下載程序目標代碼。
② 第二個目錄是prog目錄,下面主要是lib項目和MCF5307C3項目的項目組織文件和一部分源代碼。在prog目錄下面的libdbug目錄下,有lib項目的項目管理文件libdbug.mcp,使用CodeWarrior可以打開該項目文件和編譯等。prog目錄下面的M5307C3目錄下是ColdFire 5307系統的項目文件,而該目錄下的obj目錄下是生成的dBUG目標代碼。src目錄下是5307項目的項目管理文件。用戶可以使用CodeWarrior,打開M5307C3目錄下的/src/dbug/mwerks/m5307c3.mcp項目管理文件來編譯代碼。
③ 第三個目錄是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兩個項目文件,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的文件
① 入口文件：vector.s。
存有處理器復位初始入口地址、跳轉指令及中斷矢量表。
② 初始化匯編語言文件：mcfxxxx_lo.s。
功能為預初始化處理器、調用初始化函數及跳轉到main主函數。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。
內含多個初始化函數,功能為初始化處理器及各底層硬件。
④ 系統配置文件：Config.h和Board.h 。
Config.h
設定板上處理器類型和其它模塊功能。
Board.h
設定板上各參數信息,如片外Flash和SDRAM大小、類型、數據寬度和地址范圍、劃分板上內存空間范圍、系統時鐘大小、系統總線速率以及一些其它要用到的系統常量。
⑤ 連接配置文件：Flash.lcf。
設定連接時各函數空間地址及內存分配。
⑥ 預包含頭文件：mxxxx_mwerks.h和mwerks.h。
兩函數被所有的C語言和匯編語言函數包含,它們設定CodeWarrior 預處理器所用到的常量和編譯器編譯選項。
二、bootloader運行流程簡介
bootloader啟動流程如圖2所示。
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圖2 bootloader啟動流程
系統上電復位後,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32位字傳給5307的SP,將第二個32位字傳給PC,即完成復位中斷跳轉。
該復位中斷跳轉到vector.s中的start處。此處僅初始化sr,然後跳轉到mcf5307_lo.s中的asm_startmeup。該段代碼首先進行部分初始化和真正初始化前的准備工作：禁止Cache、禁止中斷和地址轉換、初始化用戶指定的內部模塊(MBAR)和內部SRAM(RAMBAR)起始地址。然後,將SP指向內部SRAM空間,即當調用真正的初始化程序時用內部SRAM的一段地址空間作為臨時堆棧。接下來,調用sysinit.c文件中的外圍電路和系統配置的初始化程序mcf5307_init()。
mcf5307_init()函數順序調用各個功能的初始化子函數,初始化系統集成模塊、並行通用輸出輸入口、串口、I2C控制器、DMA控制器、片選寄存器、SDRAM控制器。當運行完mcf5307_init()後,流程回到asm_startmeup中。此時,外圍電路和內部模塊已按用戶要求進行了正確的配置,系統的初始化已基本完成。於是,將堆棧指針SP指向用戶要求的堆棧空間,該堆棧為該板上的外部SDRAM空間。最後,跳轉至main函數。
在main中,首先將系統的矢量表從Flash空間拷貝到用戶指定的外部SDRAM中。然後,將Flash中的data段初值拷貝到外部SDRAM指定的data空間中,根據配置將外部SDRAM中的bss段清0,之後進行一些系統全局數據結構、參數表等的初始化。最後,調用mainloop開始人機交互循環：不斷接收用戶的命令、根據命令查表調用相應的任務函數、在界面上打印出相應的執行信息。
三、bootloader用戶應用
1、bootloader的系統移植
由於Motorola的dBUG bootloader為一標准的范例程序,要將其移植到具體的嵌入式系統中,還需要根據系統的硬件配置,修改其部分配置文件和底層接口文件。本文以用於網絡數據存儲的ColdFire5307C3開發板為例,介紹在其上的dBUG移植過程。
① ColdFire5307C3開發板硬件情況：
ColdFire5307 32位處理器,16MB (32位數據總線)SDRAM,2MB (16位數據總線)Flash ROM,2 UART,10Mbps (16位數據總線)以太網接口。
② 修改bootloader的處理器和配置相關文件：
a. 根據5307處理器手冊及用戶需要,修改vector.s中的中斷矢量表。
b. 根據5307處理器手冊編寫mcf5307_lo.s文件。
c. 根據板上的硬件配置修改sysinit.c文件,編寫相應的硬件初始化函數。
d. 根據系統配置修改config.h和board.h文件。
e. 根據需要修改mxxxx_mwerks.h和mwerks.h,設定某些編譯選項。
f. 根據需要修改連接配置文件Flash.lcf,設定連接時目標代碼的地址分配。
g. 編寫相應的硬件驅動,如該板上用到的MBM29LV 160BE70 Flash芯片的驅動程序文件am29xxxx.c和am29 xxxx.h、該板上用到的網卡芯片的驅動程序文件Ns8390.c以及5307的串口驅動函數等。
2、bootloader命令簡介[2]
dBUG提供了豐富的調試命令：
① 程序流程控制命令reset(系統重啟)、go、exe(用戶程序執行)、br(斷點設置)、step(單步)、trace(單步跟入)、gt(運行到);
② 內存和寄存器操作命令md、mm(內存查看和修改)、rd、rm(寄存器查看和修改)、bm(內處塊移動)、bf(內存塊數據填充)、bc(內存塊比較)、bs(內存塊查找);
③ 指令和數據操作命令dc(數據轉換)、dis(反匯編)、asm (匯編指令插入)、sym(符號表管理);
④ 程序下載命令dl(通過串口下載)、dn(通過網絡下載)。
3、bootloader用戶功能擴展
除了dBUG bootloader本身提供給用戶的命令外,用戶還希望根據不同的情況定制自己的命令。如Linux加載、μC/OS加載、kermit下載等。一般自己添加的命令都會放在一個單獨的C文件裡面。為了方便,用戶也將自己添加的命令都放在board.c文件的最後。
例如,用戶想要給dBUG添加μC/OS操作系統加載的功能,除了在dBUG中加上自己的程序加載代碼外,還應給dBUG添加一個名為ucosii的用戶命令。這樣可以通過在界面上輸入命令的形式實現相應的加載功能。首先應該在board.c裡面實現這個函數：
ucos_boot (int argc, char **argv)
{
…………
}
而後,應在cmds.c文件裡面聲明這個函數,並在緊接著的UIF_CMD UIF_CMDTAB數組裡面聲明這個命令的特性和參數。
{“ucosii”, 4,0,0,0,ucos_boot, “Boot uCOS-II from RAM”,””},
其中,第一個test字符串是命令的名稱,第二個4表明命令識別的時候要匹配4個字符才行,最後的字符串是help命令時對test命令的解釋。在描述中間的test表明指向的函數名稱。這樣就很方便地添加了這個用戶命令。
四、結論
綜上所述,Motorola公司的dBUG軟件由於其良好的源代碼組織結構使得用戶在其上開發應用非常方便,用戶稍加修改就可將其移植到不同的硬件平台上。它擁有良好的用戶界面,不僅可以完成用戶所需的程序下載、加載等功能,而且還可以方便地進行調試,使用戶可以更好地監控自己的程序。除此之外,用戶還可以很方便地添加自己所要的功能,其結構具有良好的可擴展性。所以,Motorola公司的dBUG bootloader的確是一個優秀的bootloader范例,給廣大的嵌入式系統開發者提供了一個不錯的選擇。