第四章引导层2

1、1第四章第四章最小系统：引导与驱动最小系统：引导与驱动2教材内容4.1 引导层建立引导层建立 4.1.1 引导部分 4.1.2 驱动部分 4.1.3 BIOS 4.2 引导模式引导模式 4.2.1 非片内引导 4.2.2 片内引导 4.3 中断、中断、I/O、MMU初始化初始化 4.3.1 中断初始化 4.3.2 I/O初始化 4.3.3 MMU初始化4.4 驱动部分（驱动部分（BSP）的设计）的设计 4.4.1 BSP的设计开发 4.4.2 BSP与BIOS 嵌入式系统的引导与驱动程序构成了覆盖在物理层上的引导层，它使得千差万别的硬件电路都具有相同外表。从上看，系统体现出平整一致的形态。34

2、.1 引导层建立引导层建立 平整度：引导层对于上级中间件所提供的操作接口的统一平整度：引导层对于上级中间件所提供的操作接口的统一性和友好性。性和友好性。 融合度：引导层对于下级硬件层控制和兼容能力。融合度：引导层对于下级硬件层控制和兼容能力。 厚度：引导层的规模，包括引导层的体积（软件容量）的厚度：引导层的规模，包括引导层的体积（软件容量）的大小和运行所需时间大小和运行所需时间 厚度增大厚度增大平整度、融合度提高平整度、融合度提高 引导时间增长，系统此期间不可控，不稳定引导时间增长，系统此期间不可控，不稳定性增大。性增大。4 引导层的基本任务就是让相对通用的操作系统等软件能够引导层的基本任务就

3、是让相对通用的操作系统等软件能够在各种各样的硬件上执行。为了达到这一目的：在各种各样的硬件上执行。为了达到这一目的： 操作系统等软件要求尽可能高的通用性，而不同硬件系统的存储操作系统等软件要求尽可能高的通用性，而不同硬件系统的存储器结构不同。因此，在所有其它软件运行之前还必须根据硬件的器结构不同。因此，在所有其它软件运行之前还必须根据硬件的情况为它们提供可使用的存储空间和入口地址等。情况为它们提供可使用的存储空间和入口地址等。 在所有其它软件运行之前须对特定的硬件进行检测和初始化，使在所有其它软件运行之前须对特定的硬件进行检测和初始化，使硬件系统进入一种待命状态，由于硬件不同，所以不同嵌入式系

4、硬件系统进入一种待命状态，由于硬件不同，所以不同嵌入式系统需要相应的初始化程序；统需要相应的初始化程序； 在操作系统等软件正常运行过程中不可避免地要操作硬件，为了在操作系统等软件正常运行过程中不可避免地要操作硬件，为了能够以相同的方式操作不同型号的同类硬件，需要对这些硬件进能够以相同的方式操作不同型号的同类硬件，需要对这些硬件进行封装，隐藏其差异，提供相同的操作界面。行封装，隐藏其差异，提供相同的操作界面。54.1.1 引导部分引导部分 引导程序引导程序BootLoader：在操作系统内核运行之前执：在操作系统内核运行之前执行的一段特殊程序，负责初始化系统硬件、建立内存行的一段特殊程序，负责初

5、始化系统硬件、建立内存空间映射表，将操作系统从扩展存储器中读至内存中。空间映射表，将操作系统从扩展存储器中读至内存中。 硬件检测硬件检测 初始化硬件初始化硬件 配置内核配置内核 调用操作系统内核调用操作系统内核 引导程序须适配于相应的处理器硬件体系。引导程序须适配于相应的处理器硬件体系。 大多数引导程序分为阶段大多数引导程序分为阶段I和和II两部分。两部分。 阶段阶段I针对不同的设备为不同的操作系统针对不同的设备为不同的操作系统提供同一的接口，如设备初始化，通常采用提供同一的接口，如设备初始化，通常采用汇编语言完成，影响融合度。汇编语言完成，影响融合度。 阶段阶段II通常用通常用C语言完成，可

6、实现复杂的语言完成，可实现复杂的功能，涉及系统的平整度。功能，涉及系统的平整度。64.1.2 驱动部分驱动部分 BSP（板级支持包）：针对具体的硬件平台所编写的设（板级支持包）：针对具体的硬件平台所编写的设备驱动程序集。针对某一特定设备，备驱动程序集。针对某一特定设备，BSP包含其初始化包含其初始化和部分驱动。和部分驱动。 BSP可直接与底层硬件建立联系，同时可在操作系统层可直接与底层硬件建立联系，同时可在操作系统层面，与其相关的接口驱动也可加入。面，与其相关的接口驱动也可加入。BSP对硬件的驱动操作设计参对硬件的驱动操作设计参数越多，操作的灵活性和功能数越多，操作的灵活性和功能越丰富，但驱动

7、效率会下降，越丰富，但驱动效率会下降，即引导层厚度增加。即引导层厚度增加。74.1.3 BIOS1.由来由来 MS为为IBM设计设计PC DOS时将时将DOS的整个设备驱动层放在的整个设备驱动层放在了了EPROM中称为中称为BIOS（基本输入输出系统）（基本输入输出系统） 重大变革：重大变革： 硬件与软件分离，不同种类硬件与软件分离，不同种类PC机也可以使用机也可以使用DOS，软件独立发展。，软件独立发展。 出现了硬件扩展，促使设备开放出现了硬件扩展，促使设备开放 BIOS将计算机程序中原有与硬件紧密相关的部分剥离出来，固化将计算机程序中原有与硬件紧密相关的部分剥离出来，固化在计算机上，对于程

8、序设计者，各种计算机看上去都一样。在计算机上，对于程序设计者，各种计算机看上去都一样。8 BIOS在DOS中的地位9 2.功能功能 自检及初始化程序自检及初始化程序 检查存储器、键盘、显示器等是否正常；检查存储器、键盘、显示器等是否正常； 创建中断向量，设置寄存器，对外部设备进行设置，设置运行创建中断向量，设置寄存器，对外部设备进行设置，设置运行参数参数 引导操作系统进入内存引导操作系统进入内存 最后转交控制权最后转交控制权 程序服务处理程序服务处理 执行各种硬件设备操作任务，如读写磁盘、打印输出等执行各种硬件设备操作任务，如读写磁盘、打印输出等 中断处理中断处理 响应计算机程序的请求，所有端

9、口设备以软中断的形式体现，响应计算机程序的请求，所有端口设备以软中断的形式体现，启动时启动时BIOS即给出所有设备的中断号，当应用程序发出某一中即给出所有设备的中断号，当应用程序发出某一中断请求时即根据中断号执行相应的硬件驱动断请求时即根据中断号执行相应的硬件驱动10 嵌入式系统嵌入式系统BIOS例：电子阅读器的例：电子阅读器的BIOS 系统自检系统自检 完成完成MASK ROM、FLASH、SRAM、按键等硬件的检测工作。、按键等硬件的检测工作。 SM卡系统升级卡系统升级 在加电进入自检菜单后，可以进入在加电进入自检菜单后，可以进入SM卡系统升级状态，卡系统升级状态，BIOS根根据据SM卡的

10、类型，自动完成系统升级工作的服务。卡的类型，自动完成系统升级工作的服务。 程序自举程序自举 加电无按键加电无按键 BIOS程序在完成初始化程序在完成初始化 对对SM卡等进行安全性检测卡等进行安全性检测 将程序引导到操作系统和应用程序，并将控制权移交操作系统将程序引导到操作系统和应用程序，并将控制权移交操作系统 USB功能功能 在进入自检主菜单后，自动完成在进入自检主菜单后，自动完成USB端口检测，对端口检测，对SM卡进行读写卡进行读写操作操作114.2 引导模式引导模式 研究引导模式的目的研究引导模式的目的 成本：减少高速存储器的使用量成本：减少高速存储器的使用量 安全安全 功耗功耗 非片内引

11、导非片内引导 把内核从非挥发介质中复制到把内核从非挥发介质中复制到RAM 从从RAM中运行内核中运行内核 片内引导片内引导 将数据段复制到将数据段复制到RAM 直接从非挥发介质中运行内核直接从非挥发介质中运行内核124.2.1 非片内引导非片内引导 无论怎样，系统执行的第一条指令一定在非挥发性存储器无论怎样，系统执行的第一条指令一定在非挥发性存储器中，因此即使是非片内引导也只是引导程序的一部分须复中，因此即使是非片内引导也只是引导程序的一部分须复制到制到RAM内执行。由此可见，非片内引导包括两个部分内执行。由此可见，非片内引导包括两个部分（阶段）：（阶段）：1.完成系统时钟设置、中断控制寄存器

12、设置等运行前必备的基本设完成系统时钟设置、中断控制寄存器设置等运行前必备的基本设置工作，完成内存映射，初始化置工作，完成内存映射，初始化MMU。 这部分在非挥发性存储器内运行，采用汇编完成，由于再无其它这部分在非挥发性存储器内运行，采用汇编完成，由于再无其它前期引导，所以这段指令必存放在处理器的复位入口处前期引导，所以这段指令必存放在处理器的复位入口处（0 x00000000/0 xFFFFFFFF）。）。2.装载内核。装载内核。 这部分须复制到这部分须复制到RAM中运行，采用中运行，采用C完成。完成。13 问题问题 占用内存占用内存 启动速度慢启动速度慢 不稳定：程序运行于内存中，处于可修改

13、状态不稳定：程序运行于内存中，处于可修改状态优点优点 可更新可更新 通用性通用性 灵活性灵活性144.2.2 片内引导片内引导 片内引导省去了程序指令复制的过程，因此引导速度快。片内引导省去了程序指令复制的过程，因此引导速度快。 两种运行方式两种运行方式 将固化在将固化在Flash中的内核先中的内核先映射映射到到RAM的某一段地址区间，的某一段地址区间，PC（程序计数器）指向起始地址（程序计数器）指向起始地址 直接在直接在Flash中运行操作系统内核中运行操作系统内核15 引导过程与非片内引导相似，只是省去了第引导过程与非片内引导相似，只是省去了第1阶段中阶段中复制第复制第2阶段程序的内容。阶

14、段程序的内容。 164.3 中断、中断、I/O、MMU初始化初始化 系统启动后即要执行对系统软硬件的初始化工作，准备应系统启动后即要执行对系统软硬件的初始化工作，准备应用任务的执行。初始化的主要内容包括中断系统、扩展端用任务的执行。初始化的主要内容包括中断系统、扩展端口（并行总线、口（并行总线、IIC、SPI等）、等）、MMU（内存管理单元）、（内存管理单元）、I/O设备（并行端口、设备（并行端口、A/D、D/A、计数器）、计数器） 关于这些初始化的程序，可以配置在操作系统内核中，也关于这些初始化的程序，可以配置在操作系统内核中，也可配置在引导程序中。由于它们与硬件直接相关，因此这可配置在引导

15、程序中。由于它们与硬件直接相关，因此这里将它们归入引导层。里将它们归入引导层。174.3.1 中断初始化中断初始化1.中断中断 由系统硬件或软件发出一定的所谓中断信号，由系统硬件或软件发出一定的所谓中断信号，CPU一旦一旦接受到中断信号，即暂停正在执行的程序，转而根据中断来接受到中断信号，即暂停正在执行的程序，转而根据中断来源等相应寄存器内的数据执行相应的称为中断服务的子程序，源等相应寄存器内的数据执行相应的称为中断服务的子程序，该子程序完成后转回原来的位置继续执行被暂停的程序。该子程序完成后转回原来的位置继续执行被暂停的程序。18 中断来源：嵌入式系统的中断可分为硬中断硬中断和软中断软中断，

16、前者由硬件产生，也称为外部中断外部中断，后者由软件指令产生。常见的外部中断包括外部信号电平/沿触发中断、定时器溢出/捕捉、UART、IIC接口等。部分硬件中断可屏蔽（关闭），也有不可屏蔽中断，如硬复位。外部中断具有优先级，高级中断可暂停低级中断的执行。软中断是一种信号机制，由内核机制的触发事件引起的中断，如：进程运行超时，程序陷阱。CPU为每个中断分配编号，即中断号中断号，每个中断号对应了一个特定的地址位置，该地址存放了服务程序的入口地址，称为中断向量中断向量。19 中断过程：中断过程： 中断信号给出中断信号给出 完成一条机器指令时完成一条机器指令时CPU响应中断响应中断 现场保护：现场保护：

17、PC压栈、寄存器压栈压栈、寄存器压栈 进入中断向量进入中断向量 执行中断服务程序执行中断服务程序 恢复现场：寄存器出栈、恢复现场：寄存器出栈、PC出栈出栈 继续执行原进程继续执行原进程20 2.中断初始化中断初始化（1）设置中断向量表）设置中断向量表 中断向量表是存储空间中的一个特定地址区域，该地址中断向量表是存储空间中的一个特定地址区域，该地址分别存放各中断服务程序的入口地址。分别存放各中断服务程序的入口地址。 PC机内存空间前机内存空间前1024字节保存着字节保存着256个中断向量。每个个中断向量。每个向量向量4字节，分别保存了服务程序的入口地址偏移量和入口字节，分别保存了服务程序的入口地

18、址偏移量和入口段地址。段地址。 ARM的中断向量表放置在从的中断向量表放置在从0开始、连续开始、连续84字节的空字节的空间内，表内包含一系列指令跳转到中断服务程序。间内，表内包含一系列指令跳转到中断服务程序。21 （2）中断初始化）中断初始化 中断初始化的基本任务就是向所有向量地址中写入合适的中断初始化的基本任务就是向所有向量地址中写入合适的跳转指令（程序入口），以在中断时调用相应的服务程序。跳转指令（程序入口），以在中断时调用相应的服务程序。 PC机中断向量地址处于机中断向量地址处于RAM空间，启动时为空，运行应空间，启动时为空，运行应用之前须由引导程序动态为各中断配置适当的中断服务程序用之

19、前须由引导程序动态为各中断配置适当的中断服务程序入口。入口。 嵌入式系统的中断向量位置通常在嵌入式系统的中断向量位置通常在ROM空间，空间，在程序设计载入时已经确定，不需要动态设置，静在程序设计载入时已经确定，不需要动态设置，静态设置须修改态设置须修改C代码。代码。 多个中断源使用一个向量时须多个中断源使用一个向量时须在代码中增加分向量的声明，将在代码中增加分向量的声明，将要使用中断的各设备的服务程序要使用中断的各设备的服务程序与相应的中断分向量联系起来。与相应的中断分向量联系起来。每个向量对应了一个列表，保存每个向量对应了一个列表，保存与之相关的所有硬件设备的信息与之相关的所有硬件设备的信息

20、（中断请求队列）。为保证系统（中断请求队列）。为保证系统的灵活性，中断请求队列需引导的灵活性，中断请求队列需引导程序或操作系统内核动态完成。程序或操作系统内核动态完成。224.3.2 I/O初始化初始化1.I/OI/O指系统与外界环境进行信息交换的各种接口，包括并指系统与外界环境进行信息交换的各种接口，包括并行数字端口、行数字端口、A/D、D/A、频率计数等。、频率计数等。与与PC机不同，嵌入式系统的外围设备与处理器的连接方机不同，嵌入式系统的外围设备与处理器的连接方式多种多样，这使得系统与外围设备之间也需要一定接式多种多样，这使得系统与外围设备之间也需要一定接口，如口，如IIC、SPI等。等

21、。 可见可见I/O包括：输入输出设备、设备控制器、输入输出操包括：输入输出设备、设备控制器、输入输出操作有关的软硬件作有关的软硬件I/O系统的主要工作任务系统的主要工作任务 信息编址信息编址 信息通路信息通路 信息传送信息传送 格式转换格式转换 状态控制信息状态控制信息23 I/O系统的分类系统的分类 按传输速率分类按传输速率分类 低速设备：数百字节低速设备：数百字节/秒秒 键盘、鼠标键盘、鼠标 中速设备：数十中速设备：数十K字节字节/秒秒 打印机、激光打印机打印机、激光打印机 高速设备：数十兆字节高速设备：数十兆字节/秒秒 磁带机、磁盘机、光盘机磁带机、磁盘机、光盘机 超高速设备：数百兆字节

22、超高速设备：数百兆字节/秒秒 万兆网万兆网 按信息交换的单位分类按信息交换的单位分类 块设备：信息的存取以数据块为单位块设备：信息的存取以数据块为单位 磁盘：磁盘：512B4KB 字符设备：以字符为基本单位字符设备：以字符为基本单位 显示器、键盘、打印机显示器、键盘、打印机24 设备控制器设备控制器 ：CPU与与I/O设备间的接口设备间的接口 控制控制I/O设备设备可编址可编址I/O通道（通道（I/O控制器）控制器）优点优点 承担繁杂的承担繁杂的I/O任务任务 CPU减轻负担减轻负担缺点缺点 价格昂贵价格昂贵 I/O瓶颈瓶颈I/O控制的方式控制的方式程序程序I/O CPU等待等待I/O设备完成

23、数据传送设备完成数据传送中断中断I/O 当传输完一个数据之后，当传输完一个数据之后，CPU做中断处理做中断处理 适合于字符设备适合于字符设备DMA 适合于数据转换速率要求高的系统适合于数据转换速率要求高的系统 不需要不需要CPU干预干预 不需要中间媒介不需要中间媒介25 设备驱动程序设备驱动程序 接收上层软件发来的抽象接收上层软件发来的抽象要求要求 发送具体要求给设备控制发送具体要求给设备控制器，启动设备去执行器，启动设备去执行 将设备控制器发来的信号将设备控制器发来的信号传送给上层软件传送给上层软件 设备中断程序，设备中断程序，I/O完成后完成后的收尾工作的收尾工作26 2.I/O初始化初始

24、化定义一系列数据结构定义一系列数据结构 系统设备表系统设备表SDT 设备控制表设备控制表 设备类型，设备标识符，设备状态（等待设备类型，设备标识符，设备状态（等待/不等待），指不等待），指向控制器表的指针，设备队列的队首指针，重复执行次数向控制器表的指针，设备队列的队首指针，重复执行次数或时间。或时间。 控制器表控制器表COCT 控制器标识符，控制器状态，与控制器连接的通道表指控制器标识符，控制器状态，与控制器连接的通道表指针，控制器队列的队首指针，控制器队列的队尾指针。针，控制器队列的队首指针，控制器队列的队尾指针。 通道表通道表 通道标识符、通道状态、与通道连接的控制器表首地址、通道标识符

25、、通道状态、与通道连接的控制器表首地址、通道队列首地址、通道队列尾地址通道队列首地址、通道队列尾地址27 初始化过程初始化过程 I/O端口的检查和登记端口的检查和登记 DMA和和IRQ的初始化检查和登记的初始化检查和登记 缓冲区、设备请求队列的初始化缓冲区、设备请求队列的初始化 设备控制寄存器的检查和初始化设备控制寄存器的检查和初始化 对设备自身相关的数据结构的初始化，填写一些设备特定对设备自身相关的数据结构的初始化，填写一些设备特定的数据的数据284.3.3 MMU初始化初始化1.MMU及其功能及其功能 MMU（Memory Management Unit）内存管理单元）内存管理单元 小型简

26、单的嵌入式系统中内存管理任务通常很简单，不需单独设小型简单的嵌入式系统中内存管理任务通常很简单，不需单独设计计MMU。只有复杂的系统，尤其是存在大量动态任务的系统，要。只有复杂的系统，尤其是存在大量动态任务的系统，要求应用软件与系统物理存储器之间完全隔离，这时要求有一个专求应用软件与系统物理存储器之间完全隔离，这时要求有一个专门的系统用于实现解决逻辑地址与物理地址之间的转换。门的系统用于实现解决逻辑地址与物理地址之间的转换。 MMU即这样一种实现地址空间管理的组件，它可以是硬件单元，即这样一种实现地址空间管理的组件，它可以是硬件单元，也可能是一个软件模块（引导层驱动软件的一部分）。也可能是一个

27、软件模块（引导层驱动软件的一部分）。 功能功能 支持存储空间动态分配，提供存储空间保护。支持存储空间动态分配，提供存储空间保护。 MMU关掉时，虚地址直接输出到物理地址总线。关掉时，虚地址直接输出到物理地址总线。 支持虚拟存储器，将虚地址转换成物理地址。支持虚拟存储器，将虚地址转换成物理地址。 系统的某些地址段是不允许被访问的，否则会产生不可预料的后系统的某些地址段是不允许被访问的，否则会产生不可预料的后果果,为了避免这类错误为了避免这类错误,可以通过可以通过MMU匹配表的设置将这些地址段匹配表的设置将这些地址段设为用户不可存取类型。设为用户不可存取类型。29 MMU支持基于段（支持基于段（S

28、ection）或页（）或页（Page）的存储器访问。）的存储器访问。 段访问支持段访问支持1MB的存储模块的存储模块 页支持如下各种大小不同的页：页支持如下各种大小不同的页： 大页（大页（Large page）：由）：由64KB存储块组成。大页支持存储块组成。大页支持进行大存储区域的映射，附加的访问控制机制被扩展成进行大存储区域的映射，附加的访问控制机制被扩展成16KB的子页。的子页。 小页（小页（Small page）：由）：由4KB存储块组成。附加的访存储块组成。附加的访问控制机制被扩展成问控制机制被扩展成1KB的子页。的子页。 微页（微页（Tiny page）：由）：由1KB存储块组成。

29、存储块组成。 MMU对存储器地址的访问分为两级：一级表是段地址的对存储器地址的访问分为两级：一级表是段地址的转换表，二级表是大页、小页和微页的地址转换。转换表，二级表是大页、小页和微页的地址转换。30 2.MMU的初始化的初始化 关闭关闭MMU MMU寄存器的初始化，建立其内部的各种索引表格，如寄存器的初始化，建立其内部的各种索引表格，如TLB等等 打开打开MMU314.4 驱动部分（驱动部分（BSP）的设计）的设计4.4.1 BSP的设计开发的设计开发 BSP与上层软件直接相关，因此与具体的操作系统关系紧与上层软件直接相关，因此与具体的操作系统关系紧密，不同的操作系统密，不同的操作系统BSP

30、的定义方式也不同。的定义方式也不同。321.VxWorks BSP系统引导部分：硬件初始化、处理器设置、内存初始化系统引导部分：硬件初始化、处理器设置、内存初始化设备驱动部分：驱动字符型设备、块存储设备、网络设备设备驱动部分：驱动字符型设备、块存储设备、网络设备33 系统引导部分系统引导部分 处理器工作状态设定处理器工作状态设定 配置寄存器配置寄存器 设定处理器的工作方式，如是否打开设定处理器的工作方式，如是否打开Cache 设置堆栈区的指针、处理器的运行频率等设置堆栈区的指针、处理器的运行频率等 内存的初始化和配置内存的初始化和配置 根据硬件设计配置内存的大小根据硬件设计配置内存的大小 不同

31、内存空间起始的地址范围不同内存空间起始的地址范围 内存空间的划分等内存空间的划分等34 设备驱动程序部分设备驱动程序部分 字符型设备驱动：如串行通信接口字符型设备驱动：如串行通信接口 块存储设备驱动：块存储设备驱动： 块存储设备：结构化管理的，数据以块的形式存储和访问的设备块存储设备：结构化管理的，数据以块的形式存储和访问的设备如硬盘、如硬盘、FLASH设备等。设备等。 块设备的驱动程序：提供读块，写块，复位设备、执行块设备的驱动程序：提供读块，写块，复位设备、执行I/O控制和控制和检查设备状态的例程检查设备状态的例程 网络设备驱动：网络设备驱动： 网络设备主要是指挂接在网络设备主要是指挂接在

32、VxWorks的网络层下的设备，如以太网的网络层下的设备，如以太网的网络驱动设备等。网络设备驱动为的网络驱动设备等。网络设备驱动为VxWorks的网络层提供服务。的网络层提供服务。352.Linux BSP Linux引导加载程序的系统引导工作；引导加载程序的系统引导工作； Linux引导加载程序的驱动程序；引导加载程序的驱动程序； Linux操作系统的驱动程序；操作系统的驱动程序； 前两者是在前两者是在Linux尚未执行时需要的，由于尚未执行时需要的，由于Linux内核与引内核与引导不在一起，所以，引导需要独自的硬件驱动。通常此时导不在一起，所以，引导需要独自的硬件驱动。通常此时所需的驱动包括串口、网口以及显示操作等。所需的驱动包括串口、网口以及显示操作等。36 系统引导部分系统引导部分 处理