嵌入式系统基础知识课件.ppt

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1、嵌入式系统原理及应用第二讲 嵌入式系统的基础知识,本章提要,1,3,2,嵌入式系统总体结构,嵌入式系统硬件基础,4,嵌入式系统中断管理与系统启动,嵌入式系统软件基础,嵌入式系统组成,2.1 嵌入式系统的总体结构,目前所提及的嵌入式系统一般指嵌入式计算机系统，主要包括：硬件层、中间层、系统软件层和应用层4个部分。嵌入式硬件主要包括提供嵌入式计算机正常运行的最小系统（如电源、系统时钟、复位电路、存储器等）、通用I/O口和一些外设及其它设备。嵌入式系统中间层又称嵌入式硬件抽象层，如硬件驱动程序、系统启动软件等；嵌入式系统软件层为应用层提供系统服务，如操作系统、文件系统、图形用户接口等；而应用层主要是

2、用户应用程序。,2.1.1 硬件层 嵌入式系统硬件通常指除被控对象之外的嵌入式系统要完成其功能所具备的各种设备，由嵌入式处理器、存储器系统、通用设备接口（A/D、D/A、I/O等）和一些扩展外设组成。 嵌入式系统的硬件层是以嵌入式处理器为核心的嵌入式系统外设是指为了实现系统功能而设计或提供的接口或设备,2.1 嵌入式系统的总体结构,2.1.2 中间层 介于硬件层与系统软件层之间，将硬件的细节进行屏蔽，便于操作系统调用，因此称为为中间层，也称硬件抽象层（Hardware Abstract Layer,HAL）或板级支持包（Board Support Package）。具有硬件相关性和操作系统相关

3、性特点。,主要包括系统初始化和设备驱动程序系统初始化（1）片级初始化：主要完成CPU的初始化，包括设置CPU的核心寄存器和控制寄存器，CPU核心工作模式以及CPU的局部总线模式等。（2）板级初始化：完成CPU以外的其它硬件设备的初始化。除此之外，还要设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系统级初始化和应用程序的运行建立硬件和软件环境。（3）系统级初始化：这是一个以软件初始化为主的过程，主要是进行操作系统初始化。,硬件相关的设备驱动程序 与初始化过程相反，硬件相关的设备驱动程序的初始化和使用通常是一个从高层到底层的过程。 BSP不直接使用设备驱动程序通常 与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，

4、在应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的操作,2.1.3 系统软件层 系统软件由操作系统（OS）、文件系统（FS）、图形用户接口（GUI）、网络系统（NM）及通用组件模块（如TCP/IP协议包）等组成。1RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台2FS是操作系统用于明确磁盘或分区上的文件的方法和数据结构；即在磁盘上组织文件的方法。3GUI 是 Graphical User Interface 的简称，即图形用户接口，准确来说 GUI 就是屏幕产品的视觉体验和互动操作部分。4TCP/IP协议包简称Ip Pack，IP Pack是TCP/IP网络协议软件，通常作为操作系统的一个重要组成部分

5、。,2.1.4 功能层 功能层又基于系统软件开发的应用软件程序组成，用来完成对被控对象的控制功能。直接与最终用户交互，决定整个产品的成败，是嵌入式软件的核心部分，根据用户需求定做的。,本章提要,1,3,2,嵌入式系统总体结构,嵌入式系统硬件基础,4,嵌入式系统软件基础,嵌入式系统中断管理与系统启动,主要从处理器和存储器进行介绍冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构CISC与RISC影响CPU性能的因素存储器系统,2.2 嵌入式系统硬件基础,典型嵌入式系统基本组成硬件,1. 微处理器结构,典型的微处理器由控制单元、程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、数据通道、存储器等组成,指令执行过程一般分为：取指

6、从存储器中获得下一条执行的指令读入指令寄存器PC: 程序计数器, 总是指向下一条将要执行的指令IR: 指令寄存器，用于保持已取得指令译码 解释指令，决定指令的执行意义执行从存储器向数据通道寄存器移动数据通过算术逻辑单元ALU进行数据操作存储 从寄存器向存储器写数据,2. 处理器指令执行过程,（1）取指,处理器从程序存储器中取出指令,（2）译码,解释指令，决定指令的执行意义,执行,从存储器向数据通道寄存器移动数据,存储,将指令执行结构保存到存储器中,在一些微处理器上，如ARM系列处理器、DSP等，指令实现流水线作业，指令过程按流水线的数目来进行划分。如5级流水线的处理器将指令分5个阶段执行。,3

7、.微处理器的结构体系,冯诺依曼体系结构模型,（1）按存储结构分：冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构,冯诺伊曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。处理器，经由同一个总线传输来访问程序和数据存储器，程序指令和数据的宽度相同。 如X86系列、ARM7等,3.微处理器的结构体系,哈佛体系结构,哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构，目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈。哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。 如ARM9、TI的DSP等,3.微处理器的结构体系,按指令类型可分为：复杂指令集（CISC）处理器和精简指令集（RISC）处理器 CISC

8、：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式，那么就需要更多的解释器。8/2原则：80%的程序只使用20%的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行。CISC具有如下显著特点：(1)指令格式不固定，指令长度不一致，操作数可多可少；(2)寻址方式复杂多样，以利于程序的编写；(3)采用微程序结构，执行每条指令均需完成一个微指令序列；(4)每条指令需要若干个机器周期才能完成，指令越复杂，花费的机器周期越多。,RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)指令数目少，在通道中只包含最有用的指令执行时间

9、短，确保数据通道快速执行每一条指令使CPU硬件结构设计变得更为简单每条指令都采用标准字长,CISC与RISC的区别 从硬件角度来看CISC处理的是不等长指令集，它必须对不等长指令进行分割，因此在执行单一指令的时候需要进行较多的处理工作。而RISC执行的是等长精简指令集，CPU在执行指令的时候速度较快且性能稳定。 从软件角度来看，大型操作系统较适合运行在支持CISC的处理器上。是我们所熟识的DOS、Windows操作系统。而实时操作系统大多运行在支持RISC的处理器上。,4 提高CPU性能的方法,影响CPU性能的因素：流水线、超标量、缓存和总线。对于任何处理器来说，要提高其效率，在设计上都是要减

10、少数据的等待时间，并且努力减少处理单元的空闲时间。,（1）流水线技术,流水线技术：也就是将一个任务分解成为多个连续的子任务，在处理前一个子任务的同时就开始准备下一个子任务的数据并进行子处理器单元的初始化。,（2） 超标量执行,超标量执行：就是在处理器内部设置多个平行的处理单元，将多个相互无关的任务在这些处理部件中分别进行独立处理。,（3） 高速缓存（CACHE）,1、为什么采用高速缓存 微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以提高内存的平均性能。2、高速缓存的工作原理 高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的拷贝。,通常用静态RAM来设计因此，速度快但比较贵通常和处理

11、器同在一个芯片上高速缓存的操作方式:要求对主存储器进行访问 (读或写)首先，检查高速缓存是否有相应的拷贝如果有，称为高速缓存命中拷贝在缓存中，可以快速访问如果没有，称为高速缓存失误拷贝没在缓存中，需要将该地址及其相邻的多个地址的数据读入高速缓存,（4） 高速总线和总线桥,5. 处理器信息存储的字节顺序,处理器信息存储的字节顺序主要分为大端存储法和小端存储法,大端模式字数据的高位字节存储在低地址中字数据的低字节则存放在高地址中举例：双字节数0 x1234以big-endian的方式存在起始地址0 x00002000中： | data |- address| 0 x12 |- 0 x0000200

12、0| 0 x34 |- 0 x00002001,小端模式低地址中存放字数据的低字节高地址中存放字数据的高字节举例，双字节数0 x1234以little-endian的方式存在起始地址0 x00002000中：| data |- address| 0 x34 |- 0 x00002000| 0 x12 |- 0 x00002001,2.2.2 存储器系统,1存储器的分类按存储介质分类半导体存储器、磁表面存储器、光表面存储器按存储器的读写功能分类只读存储器（ROM）、随机存储器(RAM）按在微机系统中的作用分类主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器,2. 存储器系统的层次结构,为了解决CPU与主存储

13、器速度差所采取的措施有：（1）CPU内部设置多个通用寄存器（2）采用多存储模块交叉存取（3）采用高速缓冲存储器（Cache）,半导体存储器,半导体存储器主要包括随机存储器RAM和只读存储器两类ROM,RAM：随机存取存储器， SRAM：静态随机存储器， DRAM：动态随机存储器 1）SRAM比DRAM快 2）SRAM比DRAM耗电多 3）DRAM存储密度比SRAM高得多 4）DRAM需要周期性刷新ROM：只读存储器FLASH：闪存,（1）随机存储器RAM,静态RAMSRAM: Static RAM存储单元用触发器来存储数据位要求6个晶体管需要电源保持数据动态RAMDRAM: Dynamic R

14、AM存储单元用MOS晶体管来存储数据位比SRAM更紧凑由于电容的泄漏，需要更新来保持数据典型的刷新频率是15.625 us.比SRAM访问更慢,存储器内部结构,（2）只读存储器ROM,EPROM: 可擦除的可编程ROM 可编程部分是一个MOS晶体管晶体管有一个绝缘体包围的“浮栅”(a)负电荷在源极和漏极之间形成一个隧道(b) 较大的正电压在栅极使负电荷移出隧道进入栅极形成逻辑0(c) 擦除紫外线在栅极表面的照射使负电荷从栅极回到隧道保持逻辑1(d) EPROM有一个紫外线可以通过的石英窗,EEPROM:电擦除的可编程ROM,电可编程和擦除(Programmed and erased elect

15、ronically)使用电压比正常的高能单个字进行擦除和编程较好的写入能力(Better write ability)通过内部电路提供较高电压能在系统内编程由于写入需经过擦除和编程两个步骤，因此写入较慢可重复擦除和编程数万次存储永久性和EPROM相近(大约10年)比EPROM方便得多，但更贵,快闪存储器(Flash Memory),EEPROM的扩展同样利用浮栅原理具有和EEPROM的写入能力和保存永久性擦除更快每次可以擦除存储器一块区域，但EEPROM每次只能擦除一个字每个块通常几千个字节进行单字写入时可能更慢必须先进行整块读取后，对需修改的字修改更新后再整块写入用在需要大量存储数据在非易失

16、性存储器的嵌入式系统如数码相机，机顶盒，移动电话等两种主要的Flash Memory技术是NOR和NAND结构,2022/12/5,43,可编辑,2.2.3 处理器输入输出接口,输入输出接口又称I/O接口，它是主机与外围设备之间交互信息的连接口，它在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带作用。1I/O接口与CPU交换的信息类型 输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种：（1）数据信息：反映生产现场的参数及状态的信息，它包括数字量、开关量和模拟量。（2）状态信息：又叫做应答信息、握手信息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号等。（3）控制信息：用来控制过程通道的启动和停止等信息，如三态门的

17、打开和关闭、触发器的启动等。,2I/O的编址方式 由于计算机系统一般都有多个过程输入输出通道，因此需对每一个输入输出通道安排地址。I/O口编址方式有两种：（1）I/O与存储器统一编址方式 这种编址方式又称存储器映像方式，它从存贮器空间划出一部分地址空间给过程通道，把过程通道的端口当作存贮单元一样进行访问，对I/O端口进行输入输出操作跟对存储单元进行读写操作方式相同，只是地址不同。（2）I/O与存储器独立编址方式 这种编址方式将过程通道的端口地址单独编址，有自己独立的过程通道地址空间，而不占用存储器地址空间。,本章提要,1,3,2,嵌入式系统总体结构,嵌入式系统硬件基础,4,嵌入式系统设计方法,

18、嵌入式系统软件基础,2.3 嵌入式软件基础,嵌入式系统软件根据嵌入式开发的模式分为：底层软件、操作系统和应用软件。1. 底层软件底层软件是指直接和硬件打交道的程序，具体地讲是对处理器的共有寄存器和外设寄存器进行操作的程序，如系统启动代码，硬件初始化代码，设备驱动程序等。2. 嵌入式操作系统嵌入式操作系统EOS（Embedded Operating System）是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制、协调并发活动3. 嵌入式应用软件嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到用户预期目标

19、的计算机软件。由于用户任务可能有时间和精度上的要求，因此有些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的支持。,嵌入式软件的特点,1. 嵌入式软件具有独特的实用性 嵌入式软件是为嵌入式系统服务的，这就要求它与外部硬件和设备联系紧密。 2. 嵌入式软件应有灵活的适用性 嵌入式软件通常可以认为是一种模块化软件，它应该能非常方便灵活的运用到各种嵌入式系统中，而不能破坏或更改原有的系统特性和功能。3. 程序代码精简 由于嵌入式系统本身的应用特点，具有小体积、存储空间较小、成本、功耗等要求限制，嵌入式软件和大型机上的软件相比，具有代码精简、代码量少、执行效率高等特点。,2.3.2嵌入式软件体系结构,本节将讨论

20、四种软件结构：轮转结构（round-robin）、带中断的轮转结构、函数队列调度（function-queue scheduling）结构和实时操作系统（real-time operating system）结构。,1. 轮询结构,轮询结构是能想象得到的、最简单的一种结构。该结构中不存在中断，主循环只是简单地依次执行函数调用。void main() while（1） function1(); function2(); 优点：简单，它没有中断，没有共享数据，无须考虑延迟时间,缺点：如果一个设备需要比微处理器在最坏情况下完成一个循环的时间更短的响应时间，那么这个系统将无法工作。即使所要求的响应时间

21、不是绝对的截止时间，当有冗长的处理时系统也会工作得不好。这种结构很脆弱。即使能够设法提高系统的性能，从而因为处理循环的速度足够快而是微处理器满足了所有的需要，但是一旦增加一个额外的设备或者提出一个新的中断请求，就可能让一切都崩溃。主要应用场合：基于上述缺点，轮转结构可能仅仅适用于非常简单的装置，如数字手表和微波炉等。,2带中断的轮转结构,在这种结构中，中断程序处理硬件特别紧急的需求，然后设置标志，主循环轮询这些标志，然后根据这些需求进行后续的处理。,BOOL fDeviceA=FALSE;BOOL fDeviceB=FALSE;BOOL fDeviceZ=FALSE;void interrup

22、t vHandleDeviceA(void) fDeviceA=TRUE;void interrupt vHandleDeviceB(void) fDeviceB=TRUE;void interrupt vHandleDeviceB(void) fDeviceZ=TRUE;,void main() while (TRUE)if (fDeviceA) fDeviceA=FALSE;if (fDeviceB) fDeviceB=FALSE;if (fDeviceZ) fDeviceZ=FALSE; ,与轮询结构相比这种结构可对优先级进行更多的控制。中断程序可以获得很快的响应，因为硬件的中断信号会使

23、微处理器停止正在main函数中执行的任何操作，而转去执行中断程序。,轮询结构中的中断优先级别,缺点： 中断程序与主程序中的数据共享问题，当正在执行的主程序正在处理共享数据时，被中断程序中断，进而处理中断程序，在中断程序中有可能又对共享数据进行了相应的操作，从而导致回到主程序时，共享数据的值已经发生了改变，导致意想不到的结果。,3函数队列调度,在这种结构中，中断程序在一个函数指针中添加一个函数指针，以供main函数调用。主程序仅需要从该队列中读取相应的指针并且调用相关的函数。,void interrupt vHandleDeviceA(void)/将functionA放入函数指针队列中;void

24、 interrupt vHandleDeviceB(void)/将functionB放入函数指针队列中;void functionA（）void functionB（）,void main() while (TRUE) while(/函数指针队列为空) /调用队列中另一个函数 ,优点:main可以根据任何可以达到目标的优先级方案来调用函数，这样任何需要更快响应的任务代码都可以被更早执行。为了做到这一点，只需要在对函数指针进行排队的程序中对代码进行一点技巧性设计。缺点：具有较低优先级任务代码的函数可能会有更差的响应。如果某个较低优先级任务的代码函数过长，就有可能影响较高优先级函数的响应时间。,4

25、实时操作系统,void interrupt vHandleDeviceA(void)/设置信号X;void interrupt vHandleDeviceB(void)/设置信号Y;void Task1(),void Task1() while (TRUE) void Task2() while (TRUE) ,是在函数队列调度结构基础上发展而来的一种结构,这种结构和以前那些结构的不同之处在于：中断程序和任务代码之间的必要信号发送是由实时操作系统处理的，而并不需要使用共享变量来达到这个目标。在代码中并没有用循环来决定下一步要做什么。实时操作系统内部的代码可以决定什么任务代码函数可以运行。实时操

26、作系统可以在一个任务代码程序运行期间将其挂起，以便运行另一个子程序。 前两点主要针对编程的方便性；而最后一点是实质性的：使用实时操作系统结构的系统不仅可以控制任务代码的响应时间，还可以控制中断程序的响应时间。,不同软件结构的特点,在轮询机构和函数队列调度结构中，一个任务代码函数的响应时间，取决于包括低优先级任务子程序在内的各个任务代码子程序的长度。当改变任意一个子程序的时候，就有可能改变了整个系统的响应时间。而在实时操作系统结构中，对于较低优先级函数的改变通常不会影响较高优先级函数的响应时间。,软件结构的选择,当要为嵌入式系统选择一种软件结构时，一般按照以下原则进行：选择可以满足响应时间需求的

27、最简单的结构。即使没有选择一个复杂的软件结构，仅仅是编写嵌入式系统软件就很复杂了。如果系统对于响应时间的要求很高使得一个实时操作系统成为必须的，那就应该使用实时操作系统结构。大多数商业系统都提供相应的工具集，方便编程人员对应用程序的开发和调试。如果对一个系统有意义的话，可以将这几种结构结合起来使用。,本章提要,1,3,2,嵌入式系统总体结构,嵌入式系统硬件基础,4,嵌入式系统软件基础,嵌入式系统中断管理与系统启动,2.4 中断管理与系统启动,2.4.1中断基础知识 中断和轮询方式不一样，在中断执行完成后需要恢复被中断的程序。 1保存上下文和恢复上下文 在中断处理的前后需要对处理器被中断中止的现

28、场进行保护和恢复，通常称为压栈和出栈。保护现场的目的就是将当前程序处理的数据、程序执行被中断的位置、工作状态等保存起来以便于中断返回能继续正常执行,2数据共享问题 在使用中断中都会遇到这样一个问题：中断程序可能会与用户所写的其他任务代码通信。 通常来讲，要保证微处理器的实时性和中断的及时响应，必须要求中断服务程序所占时间尽可能短。如果把微处理器所做的工作全部放到中断程序中去做既不可能也不合算。因此，中断程序需要通知任务代码来做后续工作处理。在这种情况下，中断程序和任务代码就必须共享一个或多个变量来实现它们之间的通信。,经典的共享数据问题,MOVE R1, (iTemperature0)MOVE

29、 R2, (iTemperature1)SUBTRACT R1，R2JCOND ZERO, TEMPRATURES_OK;发出警报TEMPRATURES_OK:,禁止中断来解决图4-3中的共享数据问题,3“原子区”和“临界区”程序中不能被中断的部分代码成为“原子的”。任务是用“原子的” 指不能被任何可能扰乱正在使用数据的操作所中断。更精确看法是：中断程序、任务代码共享数据和使用共享数据的任务代码不是原子的。只要在任务代码使用共享数据的时候禁止中断，就可以保证那些代码是原子的。我们把必须是“原子的”以保证系统正常运转的指令的集合定义为临界区。,4中断延迟时间 所谓中断延迟时间是指系统响应一个中断

30、所需要花费的时间，主要取决于以下四个因素：（1）中断被禁止的最长时间；（2）任一个优先级更高的中断的中断服务程序执行时间；（3）处理器停止当前任务、保存必要的信息以及执行中断程序中的指令所需要花费的时间；（4）从中断程序保存上下文到完成一次响应所需要的时间。中断延迟= 关中断的最长时间 + 开始执行中断服务子程序的第一条指令的时间 (2-1),5中断响应 中断响应定义为从中断发生到开始执行用户的中断服务子程序代码来处理这个中断的时间。中断响应是系统在最坏情况下的响应中断的时间.对前后台系统，保存寄存器以后立即执行用户代码，中断响应时间由式(2-2)给出。中断响应时间 = 中断延迟 + 保存CP

31、U内部寄存器的时间 (2-2)可剥夺型内核的中断响应时间由表达式(2-3)给出：中断响应 =中断延迟 + 保存CPU内部寄存器的时间 + 内核的进入中断服务函数的执行时间 (2-3),7中断延迟、响应和恢复 一个中断的完成时间是由多方面因素共同决定的。前后台系统、实时操作系统内核相应的中断延迟、响应和恢复过程。,实时操作系统内核中断延迟、响应和恢复,8中断处理时间 中断处理时间一般指中断服务程序需要执行的时间。中断服务的处理时间应该尽可能的短，但是对处理时间并没有绝对的限制。9非屏蔽中断(NMI)所谓非屏蔽中断是指在任何情况下都不能禁止的中断，非屏蔽中断可以用增加外部电路的方法禁止掉。,10中

32、断的一些常见问题（1）在中断发生时，微处理器怎么知道去哪里执行中断服务程序呢？（2）使用中断向量表的微处理器怎么知道中断向量表在哪里呢？（3）一条指令在执行过程中，微处理器能被中断吗？（4）如果两个中断同时产生，微处理器会优先执行那一个中断服务程序呢？（5）一个中断请求信号能够中断另外一个中断程序吗？ （6）在中断被禁止的时候发生中断请求会怎么样？ （7）可以用C语言写中断程序吗？,10中断的一些常见问题（1）在中断发生时，微处理器怎么知道去哪里执行中断服务程序呢？（2）使用中断向量表的微处理器怎么知道中断向量表在哪里呢？（3）一条指令在执行过程中，微处理器能被中断吗？（4）如果两个中断同时产

33、生，微处理器会优先执行那一个中断服务程序呢？（5）一个中断请求信号能够中断另外一个中断程序吗？ （6）在中断被禁止的时候发生中断请求会怎么样？ （7）可以用C语言写中断程序吗？,10中断的一些常见问题（1）在中断发生时，微处理器怎么知道去哪里执行中断服务程序呢？（2）使用中断向量表的微处理器怎么知道中断向量表在哪里呢？（3）一条指令在执行过程中，微处理器能被中断吗？（4）如果两个中断同时产生，微处理器会优先执行那一个中断服务程序呢？（5）一个中断请求信号能够中断另外一个中断程序吗？ （6）在中断被禁止的时候发生中断请求会怎么样？ （7）可以用C语言写中断程序吗？,2.4 嵌入式系统中断管理与系

34、统启动,2.4.2 Boot Loader 的概念 简单地说，Boot Loader 就是在主程序或操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为程序正常运行准备好正确的环境。 Boot Loader 是严重地依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式系统。因此，在嵌入式系统里建立一个通用的 Boot Loader 几乎是不可能的。 可以对 Boot Loader 归纳出一些通用的概念来，以指导用户特定的 Boot Loader 设计与实现。,Boot Loader 所支持的 CPU 和嵌入式板 每种

35、不同的 CPU 体系结构都有不同的 Boot Loader。有些 Boot Loader 也支持多种体系结构的 CPU，比如 U-Boot 就同时支持 ARM 体系结构和MIPS 体系结构。除了依赖于 CPU 的体系结构外，Boot Loader 实际上也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。2. Boot Loader 的安装媒介（Installation Medium） 系统加电或复位后，所有的 CPU 通常都从某个由 CPU 制造商预先安排的地址上取指令。比如，基于ARM7TDMI core 的CPU在复位时通常都从地址 0 x00000000 取它的第一条指令。而基于CPU构建的嵌入式系统

36、通常都有某种类型的固态存储设备(比如：ROM、EEPROM 或FLASH等)被映射到这个预先安排的地址上。因此在系统加电后，CPU将首先执行Boot Loader程序。,图4-10就是一个同时装有 Boot Loader、内核的启动参数、内核映像和根文件系统映像的固态存储设备的典型空间分配结构图。,3. 用来控制 Boot Loader 的设备或机制 主机和目标机之间一般通过串口建立连接，Boot Loader 软件在执行时通常会通过串口来进行I/O，比如：输出打印信息到串口，从串口读取用户控制字符等。 4. Boot Loader 的启动过程是单阶段（Single Stage）还是多阶段（M

37、ulti-Stage） 通常多阶段的 Boot Loader 能提供更为复杂的功能，以及更好的可移植性。从固态存储设备上启动的 Boot Loader 大多都是 2 阶段的启动过程，也即启动过程可以分为 stage 1 和 stage 2 两部分。,5. Boot Loader 的操作模式 (Operation Mode) 大多数 Boot Loader 都包含两种不同的操作模式：“启动加载”模式和“下载”模式，这种区别仅对于开发人员才有意义。启动加载（Boot loading）模式：这种模式也称为“自主”（Autonomous）模式。也即 Boot Loader 从目标机上的某个固态存储设备

38、上将操作系统加载到 RAM 中运行，整个过程并没有用户的介入。 应用场合：系统正常工作模式 下载（Downloading）模式：目标机上的 Boot Loader 将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机（Host）下载文件。 应用场合： 第一次安装内核与根文件系统时被使用；系统更新或升级。,6. BootLoader 与主机之间进行文件传输所用的通信设备及协议 最常见的情况就是，目标机上的 Boot Loader 通过串口与主机之间进行文件传输，传输协议通常是 xmodemymodemzmodem 协议中的一种。 但是，串口传输的速度是有限的，因此通过以太网连接并借助 TFTP 协议来下载文

39、件是个更好的选择。,2. Boot Loader 的主要任务,由于 Boot Loader 的实现依赖于 CPU 的体系结构，因此大多数 Boot Loader 都分为 stage1 和 stage2 两大部分。依赖于 CPU 体系结构的代码，比如设备初始化代码等，通常都放在 stage1 中，而且通常都用汇编语言来实现，以达到短小精悍的目的。而 stage2 则通常用C语言来实现，这样可以实现给复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。,stage1执行步骤（1）启动代码的第一步是设置中断和异常向量。2）完成系统启动所必须的最小配置，某些处理器芯片包含一个或几个全局寄存器，这些寄存器

40、必须在系统启动的最初进行配置。 （3）设置看门狗，用户设计的部分外围电路如果必须在系统启动时初始化，就可以放在这一步。（4）配置系统所使用的存储器，（5）为处理器的每个工作模式设置栈指针。 （6）变量初始化， （7）数据区准备 （8）最后一步是调用高级语言入口函数,2Boot Loader 的 stage2 stage2的主要内容和步骤如下：（1）初始化本阶段要使用到的硬件设备 这通常包括：初始化至少一个串口，以便和终端用户进行 I/O 输出信息；初始化系统时钟、计时器等；初始化所有其它需要用到的外设。 （2）初始化操作系统 在其它需要的硬件初始完成后，操作系统赖以运行的硬件已经可以正常工作了，此时可以对操作系统进行初始化，如操作系统内核、文件系统、GUI等初始化并创建任务等操作。 系统从main()函数跳入相应的任务中运行。,2022/12/5,84,可编辑,