第二章 Hello China的启动和初始化Word文档下载推荐.docx

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嵌入式系统软件的写入10

HelloChina在PC机上的启动11

PC机启动过程概述11

HelloChina的引导过程13

实地址模式下的初始化16

保护模式下的初始化20

操作系统核心功能的初始化24

常见嵌入式系统的启动

典型嵌入式系统内存映射布局

一个典型的嵌入式系统，至少具备下列存储部件：

1、BootROM：

是一片可擦写的只读存储器，一般不会太大（比如，不会超过1M），用于存放嵌入式系统加电后的初始化代码，在PC机上，用于完成加电后检测（POST功能）的BIOS，与此类似；

2、Flash：

一块可擦写的存储介质，可用于存储嵌入式系统的操作系统和应用程序映象，以及嵌入式系统的配置数据等，这类介质的大小，一般比BootROM要大，比如，可以在1M到64M之间变化；

3、RAM：

即常规内存，一般情况下，嵌入式系统启动后，执行的代码和数据存放在这个位置。

这三类存储介质，一般直接通过硬件连接的方式，硬性焊接在CPU的可寻址空间内，如下图：

BootROM

Flash

SRAM/DRAM

图2-1典型嵌入式系统内存布局

这样对于这些存储设备的读写，只需要采用CPU的内存读写机制，就可以很方便的完成对这些设备的操作，无需特殊设备驱动程序的支持。

在有的嵌入式系统中，还存在另外一些类型的存储介质，比如NVROM（非易失性只读存储器）等，这些存储介质往往作为存储设备配置数据的介质而存在，有的情况下，也映射到CPU的地址空间中，其操作与Flash、BootROM等类似。

嵌入式系统的启动概述

在嵌入式系统加电后，会触发CPU的复位信号（reset），导致CPU复位。

CPU复位操作完成之后，一般情况下会直接跳转到内存空间的固定位置，取得第一条指令，开始执行。

不同的CPU，第一条开始执行的指令的位置，是不一样的，比如，在ARM系列的CPU中，第一条开始执行的指令是地址空间的开始处（即0x00000000位置，在32位CPU情况下），而在Intel系列的IA32构架CPU中，CPU开始执行的第一条指令，则是位于0xFFFFFFF0位置。

第一条指令所在的位置（一般称为启动向量），一般情况下是BootROM所在的位置，在BootROM中，存放了CPU开始执行的第一条指令，一般情况下，这是一条跳转指令，跳转到另外一个固定的位置继续执行。

一个很常用的做法是，在BootROM中，存放了嵌入式系统的初始化代码，启动向量所在的跳转指令，目标跳转地址则是这些初始化代码的开始处。

这样嵌入式系统一旦加电，第一部分正式执行的代码，就是硬件系统的初始化代码。

对于硬件系统的初始化，有的情况下会十分复杂，需要初始化的硬件芯片（或硬件设备）非常多，这样必然导致初始化代码十分庞大，这样把这些庞大的初始化代码，放在BootROM中是不合适的，因此在这种情况下，BootROM里面一般只存放了关键部件的初始化代码，比如CPU的初始化（工作模式的选择等）、MMU的初始化（页表、段表的建立）、中断控制器的初始化、简单输入/输出接口（比如，COM接口）的初始化等。

另外设备的初始化代码，跟嵌入式操作系统放在一起，作为操作系统的一部分代码来实现。

BootROM中的硬件初始化代码执行完毕，对基本的硬件环境完成初始化之后，下一步工作就是加载操作系统和应用软件了（在嵌入式领域，操作系统和应用软件往往编译在一个二进制模块中），这个过程会根据不同的配置，以及不同规模的应用，有不同的实现方式，在接下来的部分当中，我们对常见的加载方式，进行描述。

一般情况下，操作系统和应用代码的映象，存储在Flash当中，因此在加载的时候，必然涉及到对Flash的操作。

在嵌入式系统中，Flash一般是直接映射到CPU的地址空间中，这样对Flash的操作，直接通过CPU的访问内存指令，就可以完成，无需额外提供Flash设备的驱动程序。

但这种方式有一个缺点，就是占用了CPU的地址空间。

若不采取这样的方式，而是把Flash当作存储外设（比如，硬盘），则必须提供特定的驱动程序，来支撑这种形态的Flash的访问。

由于这时候操作系统还没有加载，因此这时候，Flash的驱动程序只能存放在BootROM中。

常见嵌入式操作系统的加载方式

在本节中，我们对嵌入式操作系统的加载方式，进行一个简单的描述。

之所以对嵌入式操作系统的加载方式进行描述，是为了让读者更好的了解常见的嵌入式系统的启动过程，以便可以根据实际需要，把HelloChina移植到特定的目标系统上。

●加载方式之一：

从Flash直接运行代码

这种加载方式下，嵌入式操作系统映象和应用程序映象，存放在Flash当中。

在编译的时候，操作系统和应用程序映象的二进制模块，被编译器分成了不同的节，比如TEXT节、DATA节、BSS节等。

其中，不同的节所存放的内容不同，比如，TEXT节存放了可执行代码，DATA节存放了已经初始化的全局变量，而BSS节是一个预留节，存放了未经初始化的全局变量等。

在这种加载方式下，嵌入式系统的启动过程如下（参考下图）：

图2-2从Flash直接运行代码的加载过程

1、CPU复位完成，执行启动向量所在的第一条指令（位于BootROM内），这条指令往往是一条跳转指令，跳转到BootROM内的硬件初始化代码位置，执行必须的硬件初始化工作；

2、硬件初始化代码完成CPU的初始化，比如设置CPU的段寄存器、堆栈指针等，以及其它硬件的初始化；

3、完成硬件的初始化功能后，会通过一条跳转指令（或函数调用指令），跳转到Flash存储器的特定位置开始执行。

这个位置，一定是代码段（TEXT段）中的一个特定位置；

4、Flash中的代码，把DATA节从Flash中复制到RAM中；

5、完成DATA节的复制后，Flash中的代码会根据BSS节的大小，在RAM中预留相应的内存空间，作为未初始化变量使用；

6、上述功能完成之后，嵌入式系统执行的环境已经准备完毕，进入操作系统初始化阶段。

需要注意的是，对于DATA节的搬迁和BSS节的预留工作，也可能是由BootROM完成的，即BootROM中的硬件初始化代码执行完毕之后，会通过一些内存搬移指令，把Flash中的DATA节搬移到RAM中，然后再根据BSS节的大小，预留BSS空间，这些工作完成之后，就可通过一条跳转指令，跳转到TEXT节的某个位置（一般是操作系统的入口函数）开始执行。

这种情况下，需要BootROM中的代码，知道DATA节和BSS节的详细信息（大小、起始地址等）。

在这种加载方式下，所有的执行指令，都是从Flash中读取的，RAM中只是存放了数据和堆栈。

这种启动方式，可以节约物理内存空间，因为不需要专门为代码预留内存空间，因此一般应用在内存数量受到限制的系统中。

这种加载方式，有以下缺点：

1、由于代码直接在Flash中执行，一般情况下对Flash的访问，速度会比对RAM的访问要慢很多，因此性能会受到影响。

这个问题，若CPU本身携带了较大数量的代码cache，则会得到一定程度的缓和；

2、代码直接从Flash中运行，而一般情况下，Flash是只读的，因此无法实现代码的自我修改功能（即动态修改代码），这样不利于代码级的调试；

3、在对操作系统核心和应用程序代码进行编译的时候，必须指定TEXT节和DATA节、BSS节的起始地址，这个地址应该跟最终这些节在Flash和RAM中的位置相同。

因此，会给开发带来一定的困难。

总之，这种加载方式，在一些性能要求不是太关键、硬件配置受到限制的系统中，被大量的采用。

Internet发展初期的一些低端路由器，经常采用这种方式。

●加载方式之二：

从RAM运行代码

与上述方式“从Flash直接运行代码”不同的是，这种方式下，代码和数据都被加载到RAM中，从RAM中运行。

这样从Flash直接运行的一些弊端，就可以消除掉了。

这种方式下，加载过程如下（参考下图）：

图2-3从RAM运行代码的加载方式

3、位于BootROM中的代码，把位于Flash中的操作系统和应用程序的TEXT节（代码节），从Flash中搬移到RAM中。

这个过程，需要BootROM内的搬移代码，预先知道TEXT节的起始地址和大小，这可以通过在操作系统映象的开始处（该位置往往是固定的），设置一个数据结构，来指明这些节的大小和起始位置，以及目标位置等。

这样在搬移的时候，BootROM中的代码，就可以先从这个固定位置，获得节的信息，然后再根据这些信息，来完成搬移工作；

4、与第三步类似，BootROM中的代码，把操作系统和应用程序映象的DATA节，搬移到RAM中；

5、BootROM中的启动代码，完成BSS节的RAM空间预留；

6、完成上述所有动作之后，BootROM中的代码通过一条跳转指令，跳转到RAM中操作系统的入口点，正式启动操作系统。

这种启动方式，是一种比较常见的启动方式，简便易行，而且克服了“直接从Flash中运行代码”的一些弊端。

但这种方式需要嵌入式系统配置较多的RAM存储器，因为操作系统和应用程序的代码，将直接在RAM中执行。

●启动方式之三：

从文件系统加载运行

在上面介绍的两种启动方式中，操作系统和应用程序的二进制映象，是存放在Flash当中的，而Flash直接映射到CPU的可寻址空间，因此在加载的时候，直接通过访存指令，就可以完成，无需额外的设备驱动程序。

但这种方式，需要系统配置较多的Flash存储器，这在操作系统映象很大的情况下，矛盾尤其突出。

而下面介绍的一种方式，是从外部存储器加载操作系统和应用程序映象的，可以解决该问题。

这种从文件系统加载操作系统映象的方式，与从Flash加载不同的是，操作系统映象和应用程序映象是存放在外部存储器（比如，IDE接口的硬盘）中的。

而对于外部存储器的访问所需要的驱动程序，则存放在BootROM中。

这种方式的加载过程，如下（可参考下图）：

图2-4从文件系统加载系统的过程

3、BootROM中的引导代码，通过外部设备的驱动程序，读取外部存储器，把操作系统和应用程序的映象，加载到内存（RAM）中。

这个过程，可以不区分TEXT节和DATA节，而作为统一的二进制映象进行加载；

4、完成二进制映象的加载后，BootROM中的启动代码，需要进一步为操作系统预留BSS空间；

5、上述一切动作完成，操作系统运行的环境就绪后，BootROM中的代码通过一条转移指令（跳转或CALL），转移到操作系统的入口点，这样后续系统的运行，就完全在操作系统的控制下进行了。

这种加载方式，把操作系统和应用程序的映象都搬移到了外部存