Motorola微处理器的bootloader分析与应用.doc

Motorola微处理器的bootloader分析与应用摘要：以Motorola 32位处理器ColdFire5307为例，分析、介绍Motorola公司用于嵌入式系统开发的dBUG通用bootloader软件的结构、运行原理及应用。关键词：嵌入式系统 ColdFire bootloader dBUG引 言bootloader是用来完成系统启动和系统软件加载工作的程序。它是底层硬件和上层应用软件之间的一个中间件软件，完成处理器和周边电路正常运行所要的初始化工作；可以屏蔽底层硬件的差异，使上层应用软件的编写和移植更加方便；不仅具有类似PC机上常用的BIOS(Basic Input Output System，基本输入、输出系统监控程序)功能，而且还可具有一定的调试功能。目前，在嵌入式系统开发中有多种bootloader可供选择，其中Motorola公司的名为dBUG的bootloader比较优秀。它可以移植在Motorola MC68000、ColdFire和PowerPC系列所有微处理器上面，有强大的调试功能，支持单步、下载、网络更新等；其良好的软件架构使用户能很方便地修改其代码，扩展新的功能。本文以作者用于网络数据存储的coldfire5307C3开发板为例，简析其上的dBUG bootloader的结构和运行机制，并给出实际修改范例。1 bootloader源码结构(1)bootloader的文件组织dBUG bootloader源代码可以从Motorola公司网站获得。它是一个范例程序，通过修改相应的配置文件和处理器相关文件，可以很方便地移植到不同的处理器系统上。其源码由两个部分组成，一部分是lib项目，另外一部分是每种Motorola微处理器单独的处理器项目。比如，ColdFire 5307就使用MCF5307C3项目和lib项目一起来生成最终的dBUG代码。其中lib项目中是与处理器无关的一些命令或者函数，而每个单独的处理器项目是和每种不同的处理器息息相关的。在编译的时候，首先需要将lib项目编译生成标准库函数(也就是将一些通用命令和函数先封装起来)。然后，编译MCF5307C3项目，就会将刚才编译的lib项目和MCF5307C3项目结合在一起生成最终代码。整个dBUG bootloader代码的架构比较复杂，其源码按功能可分为3个模块1：User Interface Component、CPU-specific Component、Board-specific Component。用户进入dBUG的目录以后，会看到三个子目录，如图1所示1，2。 第一个目录是bin目录，在该目录下面主要是一个简单的TFTP Server软件。TFTP是简单的FTP(文件传输协议)。它是基于UDP协议的，主要用来下载程序目标代码。 第二个目录是prog目录，下面主要是lib项目和MCF5307C3项目的项目组织文件和一部分源代码。在prog目录下面的libdbug目录下，有lib项目的项目管理文件libdbug.mcp，使用CodeWarrior可以打开该项目文件和编译等。prog目录下面的M5307C3目录下是ColdFire 5307系统的项目文件，而该目录下的obj目录下是生成的dBUG目标代码。src目录下是5307项目的项目管理文件。用户可以使用CodeWarrior，打开M5307C3目录下的/src/dbug/mwerks/m5307c3.mcp项目管理文件来编译代码。 第三个目录是src目录，是dBUG的主要源代码。综上所述，用户只要打开m5307c3.mcp和libdbug.mcp两个项目文件，即可以看到dBUG所有的源代码。(2)与处理器和外围硬件配置相关的文件 入口文件：vector.s。 存有处理器复位初始入口地址、跳转指令及中断矢量表。 初始化汇编语言文件：mcfxxxx_lo.s。功能为预初始化处理器、调用初始化函数及跳转到main主函数。其中xxxx表示某特定的处理器型号，如5307。 初始化C语言文件：Sysinit.c。内含多个初始化函数，功能为初始化处理器及各底层硬件。 系统配置文件：Config.h和Board.h 。Config.h 设定板上处理器类型和其它模块功能。Board.h 设定板上各参数信息，如片外Flash和SDRAM大小、类型、数据宽度和地址范围、划分板上内存空间范围、系统时钟大小、系统总线速率以及一些其它要用到的系统常量。 连接配置文件：Flash.lcf。设定连接时各函数空间地址及内存分配。 预包含头文件：mxxxx_mwerks.h和mwerks.h。两函数被所有的C语言和汇编语言函数包含，它们设定CodeWarrior 预处理器所用到的常量和编译器编译选项。2 bootloader运行流程简介bootloader启动流程如图2所示。系统上电复位后，跳到Boot ROM的最低地址处。Boot ROM的开始空间FFE00000FFE00400为vector.s中的中断矢量表。将表中第一个32位字传给5307的SP，将第二个32位字传给PC，即完成复位中断跳转。该复位中断跳转到vector.s中的start处。此处仅初始化sr，然后跳转到mcf5307_lo.s中的asm_startmeup。该段代码首先进行部分初始化和真正初始化前的准备工作：禁止Cache、禁止中断和地址转换、初始化用户指定的内部模块(MBAR)和内部SRAM(RAMBAR)起始地址。然后，将SP指向内部SRAM空间，即当调用真正的初始化程序时用内部SRAM的一段地址空间作为临时堆栈。接下来，调用sysinit.c文件中的外围电路和系统配置的初始化程序mcf5307_init()。mcf5307_init()函数顺序调用各个功能的初始化子函数，初始化系统集成模块、并行通用输出输入口、串口、I2C控制器、DMA控制器、片选寄存器、SDRAM控制器。当运行完mcf5307_init()后，流程回到asm_startmeup中。此时，外围电路和内部模块已按用户要求进行了正确的配置，系统的初始化已基本完成。于是，将堆栈指针SP指向用户要求的堆栈空间，该堆栈为该板上的外部SDRAM空间。最后，跳转至main函数。在main中，首先将系统的矢量表从Flash空间拷贝到用户指定的外部SDRAM中。然后，将Flash中的data段初值拷贝到外部SDRAM指定的data空间中，根据配置将外部SDRAM中的bss段清0，之后进行一些系统全局数据结构、参数表等的初始化。最后，调用mainloop开始人机交互循环：不断接收用户的命令、根据命令查表调用相应的任务函数、在界面上打印出相应的执行信息。3 bootloader用户应用 (1)bootloader的系统移植由于Motorola的dBUG bootloader为一标准的范例程序，要将其移植到具体的嵌入式系统中，还需要根据系统的硬件配置，修改其部分配置文件和底层接口文件。本文以用于网络数据存储的ColdFire5307C3开发板为例，介绍在其上的dBUG移植过程。ColdFire5307C3开发板硬件情况：ColdFire5307 32位处理器，16MB (32位数据总线)SDRAM，2MB (16位数据总线)Flash ROM，2 UART，10Mbps (16位数据总线)以太网接口。修改bootloader的处理器和配置相关文件：a. 根据5307处理器手册及用户需要，修改vector.s中的中断矢量表。b. 根据5307处理器手册编写mcf5307_lo.s文件。c. 根据板上的硬件配置修改sysinit.c文件，编写相应的硬件初始化函数。d. 根据系统配置修改config.h和board.h文件。e. 根据需要修改mxxxx_mwerks.h和mwerks.h，设定某些编译选项。f. 根据需要修改连接配置文件Flash.lcf，设定连接时目标代码的地址分配。g. 编写相应的硬件驱动，如该板上用到的MBM29LV 160BE70 Flash芯片的驱动程序文件am29xxxx.c和am29 xxxx.h、该板上用到的网卡芯片的驱动程序文件Ns8390.c以及5307的串口驱动函数等。(2)bootloader命令简介2dBUG提供了丰富的调试命令： 程序流程控制命令reset(系统重启)、go、exe(用户程序执行)、br(断点设置)、step(单步)、trace(单步跟入)、gt(运行到)； 内存和寄存器操作命令md、mm(内存查看和修改)、rd、rm(寄存器查看和修改)、bm(内处块移动)、bf(内存块数据填充)、bc(内存块比较)、bs(内存块查找)； 指令和数据操作命令dc(数据转换)、dis(反汇编)、asm (汇编指令插入)、sym(符号表管理)； 程序下载命令dl(通过串口下载)、dn(通过网络下载)。(3)bootloader用户功能扩展除了dBUG bootloader本身提供给用户的命令外，用户还希望根据不同的情况定制自己的命令。如Linux加载、C/OS加载、kermit下载等。一般自己添加的命令都会放在一个单独的C文件里面。为了方便，用户也将自己添加的命令都放在board.c文件的最后。例如，用户想要给dBUG添加C/OS操作系统加载的功能，除了在dBUG中加上自己的程序加载代码外，还应给dBUG添加一个名为ucosii的用户命令。这样可以通过在界面上输入命令的形式实现相应的加载功能。首先应该在board.c里面实现这个函数：ucos_boot (int argc, char *argv)而后，应在cmds.c文件里面声明这个函数，并在紧接着的UIF_CMD UIF_CMDTAB数组里面声明这个命令的特性和参数。“ucosii”, 4,0,0,0,ucos_boot, “Boot uCOS-II from RAM”,”,其中，第一个test字符串是命令的名称，第二个4表明命令识别的时候要匹配4个字符才行，最后的字符串是help命令时对test命令的解释。在描述中间的test表明指向的函数名称。这样就很方便地添加了这个用户命令。4 结 论综上所述，Motorola公司的dBUG软