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。 關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) ColdFire bootloader dBUG 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mc f5307_init（）。 mcf5307_init（）函數(shù)順序調(diào)用各個(gè)功能的初始化子函數(shù)，初始化系統(tǒng)集成模塊、并行通用輸出輸入口、串口、I2C控制器、DMA控制器、片選寄存器、SDRAM控制器。當(dāng)運(yùn)行完mcf5307_init（）后，流程回到asm_startmeup中。此時(shí)，外圍電路和內(nèi)部模塊已按用戶要求進(jìn)行了正確的配置，系統(tǒng)的初始化已基本完成。于是，將堆棧指針SP指向用戶要求的堆?？臻g，該堆棧為該板上的外部SDRAM空間。最后，跳轉(zhuǎn)至main函數(shù)。 在main中，首先將系統(tǒng)的矢量表從Flash空間拷貝到用戶指定的外部SDRAM中。然后，將Flash中的data段初值拷貝到外部SDRAM指定的data空間中，根據(jù)配置將外部SDRAM中的bss段清0，之后進(jìn)行一些系統(tǒng)全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、參數(shù)表等的初始化。最后，調(diào)用mainloop開始人機(jī)交互循環(huán)：不斷接收用戶的命令、根據(jù)命令查表調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)函數(shù)、在界面上打印出相應(yīng)的執(zhí)行信息。 3 bootloader用戶應(yīng)用 （1）bootloader的系統(tǒng)移植 由于Motorola的dBUG bootloader為一標(biāo)準(zhǔn)的范例程序，要將其移植到具體的嵌入式系統(tǒng)中，還需要根據(jù)系統(tǒng)的硬件配置，修改其部分配置文件和底層接口文件。本文以用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲的ColdFire5307C3開發(fā)板為例，介紹在其上的dBUG移植過程。 ①ColdFire5307C3開發(fā)板硬件情況： ColdFire5307 32位處理器，16MB （32位數(shù)據(jù)總線）SDRAM，2MB （16位數(shù)據(jù)總線）Flash ROM，2 UART，10Mbps （16位數(shù)據(jù)總線）以太網(wǎng)接口。 ②修改bootloader的處理器和配置相關(guān)文件： a. 根據(jù)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(jù)5307處理器手冊編寫mcf5307_lo.s文件。 c. 根據(jù)板上的硬件配置修改sysinit.c文件，編寫相應(yīng)的硬件初始化函數(shù)。 d. 根據(jù)系統(tǒng)配置修改config.h和board.h文件。 e. 根據(jù)需要修改mxxxx_mwerks.h和mwerks.h，設(shè)定某些編譯選項(xiàng)。 f. 根據(jù)需要修改連接配置文件Flash.lcf，設(shè)定連接時(shí)目標(biāo)代碼的地址分配。 g. 編寫相應(yīng)的硬件驅(qū)動，如該板上用到的MBM29LV 160BE70 Flash芯片的驅(qū)動程序文件am29xxxx.c和am29 xxxx.h、該板上用到的網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動程序文件Ns8390.c以及5307的串口驅(qū)動函數(shù)等。 （2）bootloader命令簡介[2] dBUG提供了豐富的調(diào)試命令： ① 程序流程控制命令reset（系統(tǒng)重啟）、go、exe（用戶程序執(zhí)行）、br（斷點(diǎn)設(shè)置）、step（單步）、trace（單步跟入）、gt（運(yùn)行到）； ② 內(nèi)存和寄存器操作命令md、mm（內(nèi)存查看和修改）、rd、rm（寄存器查看和修改）、bm（內(nèi)處塊移動）、bf（內(nèi)存塊數(shù)據(jù)填充）、bc（內(nèi)存塊比較）、bs（內(nèi)存塊查找）； ③ 指令和數(shù)據(jù)操作命令dc（數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)下載）。 （3）bootloader用戶功能擴(kuò)展 除了dBUG bootloader本身提供給用戶的命令外，用戶還希望根據(jù)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(gè)單獨(dú)的C文件里面。為了方便，用戶也將自己添加的命令都放在board.c文件的最后。 例如，用戶想要給dBUG添加μC/OS操作系統(tǒng)加載的功能，除了在dBUG中加上自己的程序加載代碼外，還應(yīng)給dBUG添加一個(gè)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(shí)現(xiàn)相應(yīng)的加載功能。首先應(yīng)該在board.c里面實(shí)現(xiàn)這個(gè)函數(shù)： ucos_boot （int argc, char ＊＊argv） ｛ ………… ｝ 而后，應(yīng)在cmds.c文件里面聲明這個(gè)函數(shù)，并在緊接著的UIF_CMD UIF_CMDTAB數(shù)組里面聲明這個(gè)命令的特性和參數(shù)。 ｛“ucosii”, 4,0,0,0,ucos_boot, “Boot uCOS-II from RAM”,””｝, 其中，第一個(gè)test字符串是命令的名稱，第二個(gè)4表明命令識別的時(shí)候要匹配4個(gè)字符才行，最后的字符串是help命令時(shí)對test命令的解釋。在描述中間的test表明指向的函數(shù)名稱。這樣就很方便地添加了這個(gè)用戶命令。 4 結(jié) 論 綜上所述，Motorola公司的dBUG 軟件由于其良好的源代碼組織結(jié)構(gòu)使得用戶在其上開發(fā)應(yīng)用非常方便，用戶稍加修改就可將其移植到不同的硬件平臺上。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(jìn)行調(diào)試，使用戶可以更好地監(jiān)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(jié)構(gòu)具有良好的可擴(kuò)展性。所以，Motorola公司的dBUG bootloader的確是一個(gè)優(yōu)秀的bootloader范例，給廣大的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者提供了一個(gè)不錯的選擇。