許世文 王慧

摘 要 Bootloader是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，一般來(lái)說(shuō)，Bootloader最重要的作用是用來(lái)加載操作系統(tǒng)，為調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。不過(guò)隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，許多高性價(jià)比的MCU（微處理器）不斷推出市場(chǎng)，這些MCU有著豐富的外設(shè)資源，但是內(nèi)部的存儲(chǔ)資源不足以運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，只能運(yùn)行微實(shí)時(shí)內(nèi)核或無(wú)操作系統(tǒng)的應(yīng)用，用來(lái)滿足低成本但相對(duì)智能化且需求易變的應(yīng)用需求。由于應(yīng)用功能的定制化以及系統(tǒng)維護(hù)等因素，也需要加入Bootloader來(lái)提高系統(tǒng)的靈活性。本文主要通過(guò)將著名的開源Bootloader（U-Boot）移植到ST（意法半導(dǎo)體）公司的一款高性價(jià)比微處理器STM32F103來(lái)闡述Bootloader的運(yùn)行機(jī)理，需要說(shuō)明的是，U-Boot雖然對(duì)多種處理器平臺(tái)、多種操作系統(tǒng)有著良好的支持，但其框架僅支持那些運(yùn)行在內(nèi)存（SRAM/DRAM/SDRAM）的操作系統(tǒng)且自身也需運(yùn)行在內(nèi)存中，而STM32F103的SRAM僅64K，不足以用來(lái)運(yùn)行程序，故需對(duì)U-Boot的框架進(jìn)行改造，使其不但自身運(yùn)行在閃存（FLASH）中，并且可以直接引導(dǎo)閃存中的應(yīng)用程序。這樣可使得類似于STM32F103這樣的“低端”嵌入式平臺(tái)也能共享U-Boot豐富的命令集和靈活的配置功能。

關(guān)鍵詞 Bootloader；U-Boot；STM32F103；嵌入式；FLASH

引言

嵌入式系統(tǒng)，是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。一般來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都具有相應(yīng)的引導(dǎo)程序，它的作用是初始化硬件設(shè)備、完成必要的初始化過(guò)程，加載操作系統(tǒng)等。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，出于對(duì)成本、體積、性能、功耗等多方面因素考慮，除了使得Bootloader的設(shè)計(jì)不但嚴(yán)重依賴于硬件，甚至很多時(shí)候不再需要Bootloader。但一些特殊情況下，某些平臺(tái)的存儲(chǔ)資源不足以運(yùn)行操作系統(tǒng)，僅能運(yùn)行無(wú)操作系統(tǒng)的應(yīng)用或者微型實(shí)時(shí)內(nèi)核（如ucos-ii、FreeRTOS等），但又需要對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用做靈活定制，這時(shí)也需要加入Bootloader讓系統(tǒng)變得更加靈活且方便維護(hù)。

本文主要內(nèi)容是將著名的開源Bootloader -- U-Boot移植到一款“低端”嵌入式處理器平臺(tái)上，這里所謂的“低端”并非指檔次低，而是其存儲(chǔ)資源相對(duì)于U-Boot目前現(xiàn)支持的平臺(tái)來(lái)說(shuō)要匱乏，需要對(duì)U-Boot進(jìn)行相對(duì)較大的改動(dòng)才足以支撐在其之上運(yùn)行。事實(shí)上，這些“低端”的處理器在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用也是非常廣泛，這里要移植的處理器STM32F103就是當(dāng)前非常流行的一款高性價(jià)比MCU，Cortex-M3核心，由ST公司出產(chǎn)。通過(guò)將U-Boot移植在這款MCU上，一方面能更好地理解Bootloader的運(yùn)行機(jī)理，另一方面給出移植思路，方便讀者結(jié)合自己的項(xiàng)目靈活運(yùn)用這款開源軟件，給項(xiàng)目的調(diào)試和應(yīng)用帶來(lái)便利。

1 U-Boot移植STM32F103

1.1 設(shè)計(jì)思路

首先，先來(lái)看U-Boot的內(nèi)存映射圖，U-Boot的設(shè)計(jì)者并不考慮那些僅運(yùn)行在FLASH的嵌入式系統(tǒng)，如果按照?qǐng)D中的存儲(chǔ)映射圖直接移植的話，即便進(jìn)行裁剪，經(jīng)過(guò)編譯后的映像也在60K左右，以STM32F103的內(nèi)存（64K）肯定是無(wú)法滿足的，需要對(duì)U-Boot進(jìn)行改造，將U-Boot駐留在FLASH中，就需要省去U-Boot將自身“搬移”到SRAM的步驟，使得內(nèi)存中就剩下堆棧（.bss）和數(shù)據(jù) （.data）。

其次，估算U-Boot除去自身映像之外對(duì)內(nèi)存的需求，也就是圖中SDRAM除U-Boot映像之外的區(qū)域大小，由于STM32F103的中斷方式較為簡(jiǎn)單，是靠中斷向量表直接跳轉(zhuǎn)，沒有單獨(dú)棧區(qū)，則IRQ&FIQ棧區(qū)也可省去。可先下載U-Boot源碼并找一種常用的平臺(tái)并編譯，得到內(nèi)存映射文件后，計(jì)算U-Boot的內(nèi)存需求。

最后，分析U-Boot的源碼框架和啟動(dòng)流程，設(shè)計(jì)啟動(dòng)流程框圖，搭建移植環(huán)境，并按照啟動(dòng)流程圖設(shè)計(jì)程序，結(jié)合STM32F103的實(shí)際內(nèi)存映射圖確認(rèn)編譯和鏈接參數(shù)，編譯調(diào)試并最終得到正確的結(jié)果[1]。

1.2 設(shè)計(jì)過(guò)程

（1）估算內(nèi)存需求

首先下載U-Boot源碼，為便于研究和移植，需要下載較老的版本u-boot.2010.06，較新的版本采用了動(dòng)態(tài)鏈接地址的方法且編譯選項(xiàng)比較復(fù)雜，不利于我們對(duì)源碼的分析，方便起見，直接根據(jù)移植后的內(nèi)存映射文件u-boot.map將存儲(chǔ)占用情況統(tǒng)計(jì)如下表，這里僅統(tǒng)計(jì)主要的數(shù)據(jù)和代碼段，還有一些段占用存儲(chǔ)較小直接略去。

從上表可以看出，前兩個(gè)段是代碼段和只讀段，可以駐留在FLASH中，后面的段是數(shù)據(jù)段，需要放在SRAM中，總大小不超過(guò)8K，加上堆和棧區(qū)，64K數(shù)據(jù)空間也已足夠。

（2）啟動(dòng)分析

U-Boot對(duì)于很多平臺(tái)來(lái)說(shuō)啟動(dòng)流程大體相似，第一階段與硬件體系平臺(tái)相關(guān)，第二階段是通用功能，需要移植的重點(diǎn)主要在第一階段，以S3C2440單板為例，第一階段啟動(dòng)大致工作為設(shè)置CPU模式和時(shí)鐘，判斷處理器啟動(dòng)方式并重定位U-Boot映像，計(jì)算并設(shè)置堆棧指針，初始化bss段，與此同時(shí)建立CPU各個(gè)模式的中斷入口和獨(dú)立棧區(qū)，最終跳轉(zhuǎn)到通用功能的函數(shù)_start_armboot。

對(duì)于STM32F103來(lái)說(shuō)，其硬件體系結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。首先，其棧地址需要放在第一條指令中，被自動(dòng)賦予sp（堆棧指針），故需要固定一個(gè)堆棧指針地址。其次，不需要考慮重定位，重定位其實(shí)就是判斷U-Boot自身是否運(yùn)行在內(nèi)存中，如果是運(yùn)行在內(nèi)存中，則不需要搬移直接跳轉(zhuǎn)到后面的代碼運(yùn)行，否則將自身“搬運(yùn)”至內(nèi)存中，這是因?yàn)橛梅抡嫫鱽?lái)下載程序時(shí)，可能會(huì)將映像直接下載至內(nèi)存中，而對(duì)于STM32F103映像始終是駐留在FLASH中，故程序流程圖如下所示：

（3）程序設(shè)計(jì)

按照U-Boot的目錄結(jié)構(gòu)建立好相關(guān)文件，先根據(jù)CPU體系架構(gòu)構(gòu)造中斷向量表，中斷向量表可被所有Cortex-M3核心系列的MCU所共享，vectors_m.S文件的內(nèi)容如下：

鏈接腳本.lds文件可根據(jù)其他平臺(tái)來(lái)設(shè)計(jì)編寫。然后通過(guò)編譯和調(diào)試就可以讓U-Boot在STM32F103上啟動(dòng)了，需要移植的最基本的硬件驅(qū)動(dòng)為定時(shí)器，串口，F(xiàn)LASH用來(lái)達(dá)到U-Boot最簡(jiǎn)單的運(yùn)行條件。

1.3 調(diào)試與應(yīng)用

在調(diào)試的過(guò)程中，需要對(duì)存儲(chǔ)的分布有著清晰的理解和認(rèn)識(shí)，編譯過(guò)后可以分析內(nèi)存映射文件來(lái)確定數(shù)據(jù)代碼段是否放置在了正確的地址中，可避免盲目的調(diào)試。

移植完成后，應(yīng)用程序的編寫也需要注意兩點(diǎn)，一是應(yīng)用程序的運(yùn)行地址，應(yīng)用程序在編譯時(shí)，需要修改鏈接腳本保證FLASH空間的合理分配。二是應(yīng)用程序需要將中斷向量表定位，當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)生中斷時(shí)，默認(rèn)會(huì)跳轉(zhuǎn)到FLASH的低地址的中斷向量表中運(yùn)行程序，如果不重映射，那么會(huì)跳至U-Boot的中斷向量中（若低位地址存放U-Boot映像），需要在應(yīng)用程序代碼中加入設(shè)置中斷向量表的語(yǔ)句，且MCU本身也支持[3]。

2 應(yīng)用趨勢(shì)

當(dāng)前，STM32系列的微處理器通過(guò)其超高的性價(jià)比以及良好的軟件服務(wù)，已經(jīng)取得了非常好的市場(chǎng)占有額，其中的軟件服務(wù)就包括ST官方提供的STM32系列的Bootloader，其可以支持從多種接口引導(dǎo)，但是作為第三方軟件對(duì)一些系統(tǒng)的支持并非完全免費(fèi)，網(wǎng)上還有很多開發(fā)者為STM32系列設(shè)計(jì)的Bootloader，但是其功能比起U-Boot還是稍遜一籌。

雖然在最新的U-Boot源碼下已經(jīng)支持ST的一些單板平臺(tái)，但是其框架依舊是需要在DRAM/SDRAM中運(yùn)行，并不能較好的支持在FLASH中運(yùn)行，希望通過(guò)這篇文章給廣大嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者一些思路，讓U-Boot支持更多的”低端”嵌入式平臺(tái)，給我們的系統(tǒng)調(diào)試和靈活設(shè)置帶來(lái)便利。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳海軍，申衛(wèi)昌，史穎.嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)程序詳探[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2006，16（1）：123-125.

[2] 嚴(yán)菊明.基于ARM嵌入式系統(tǒng)的通用Bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京：東南大學(xué)，2005.

[3] 陳為軍，李正明，孫俊，等.基于U-BOOT的S3C44B0引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J]微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（2）：113-115.