基于MC9328MX1的家庭智能控制終端系統(tǒng)中BOOTLOADER設(shè)計*

張正本，翟海慶

（河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，河南 新鄉(xiāng) 453000）

32位的ARM處理器具有性能高、功耗低等特征，基于32位ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)已深入到社會生活的各個領(lǐng)域。MC9328MX1是Motorola公司的產(chǎn)品。其中嵌入了先進(jìn)的低功耗ARM920T核，運行速度可達(dá) 200MHz［1］。UCOS －II是一款源代碼開放的嵌入式實時操作系統(tǒng)，其最大的特點是源代碼開放，并具有很好的可移植性。BOOTLOADER程序與處理器的體系結(jié)構(gòu)和電路板的硬件設(shè)計密切，很難設(shè)計一個完全通用的BOOTLOADER程序直接應(yīng)用于所有的嵌入式系統(tǒng)中，因而BOOTLOADER設(shè)計是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。本文分析BOOTLOADER程序的功能和主要任務(wù)，針對一個特定的處理器MC9328MX1，設(shè)計了一個BOOTLOADER程序，并應(yīng)用于家庭智能控制系統(tǒng)中，取得了良好的效果。

1 BOOTLOADER概述

簡單地說，BOOTLOADER就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序。通過這段小程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境［2］。一般情況下，BOOTLOADER程序有兩種不同的操作模式，自舉模式和內(nèi)核啟動裝載模式。

自舉模式的主要功能是通過串行口或網(wǎng)絡(luò)接口把映像文件下載到嵌入式系統(tǒng)中，并存放在嵌入式系統(tǒng)的非易失性存儲器，如Flash中。映像文件包括BOOTLOADER本身的映像、操作系統(tǒng)映像、應(yīng)用程序映像等。

內(nèi)核啟動裝載模式的主要功能是將嵌入式系統(tǒng)非易失性存儲器(如Flash)中的映像文件裝載到RAM運行。若是多階段的 BOOTLOADER程序，需將BOOTLOADER本身的映像也裝載到RAM，否則只需要將操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序映像裝載到RAM中運行即可。

自舉模式主要用于產(chǎn)品開發(fā)和系統(tǒng)升級的過程中，啟動時需要人為的干預(yù);內(nèi)核啟動裝載模式主要用于產(chǎn)品交付使用時，啟動時不需要人的干預(yù)。在兩種操作模式之間切換可以采用多種方法，比如可使用跳線，接地是運行自舉模式，接高電平時運行內(nèi)核啟動裝載模式。本文中使用系統(tǒng)中的一個按鍵，上電時延時兩秒，如果按下按鍵，則運行自舉模式;如果該按鍵沒有按下，則運行內(nèi)核啟動裝載模式。

2 MC9328MX1簡介及其加電自舉模式

MC9328MX1芯片內(nèi)部集成了SDRAM控制器、UART、看門狗定時器、定時/計數(shù)器LCD控制器、USB控制器等多種片內(nèi)外設(shè)，應(yīng)用非常方便。MC9328MX1是在個人便攜式產(chǎn)品市場上領(lǐng)先的龍珠微處理器家族的第六代產(chǎn)品;具有很高的集成度;為極低功耗系統(tǒng)設(shè)計提供了優(yōu)越的性能;專門對多媒體應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化;專門對具有高速接口的藍(lán)牙應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化;支持廣泛的應(yīng)用，如PDA設(shè)計、智能電話和下一代的無線通信［3］。

MC9328MX1第一個1MB系統(tǒng)地址空間設(shè)計為雙映射映像，由于MC9328MX1啟動時從地址0x0開始執(zhí)行，因而第一個1MB的地址空間也被稱為引導(dǎo)ROM。上電時，若 BOOT［3:0］引腳配置為 0000，則加電自舉ROM映射到第一個1MB的空間，成為引導(dǎo)ROM;若 BOOT［3:0］引腳配置為0110，則片選引腳/CS0引腳所選擇的地址空間成為引導(dǎo)ROM。

加電自舉ROM中存放的是加電自舉程序，該程序在芯片出廠時就已經(jīng)寫好，并且不能被修改。加電自舉程序配置UART1和UART2，將控制器初始化為一個目標(biāo)系統(tǒng)，此時系統(tǒng)為加電自舉模式，可下載程序或數(shù)據(jù)到目標(biāo)系統(tǒng)的RAM中。在程序下載完畢后可以運行，可對程序分析提供簡單的調(diào)試環(huán)境［1］。

加電自舉程序僅能通過UART接收加電自舉記錄，完成將程序和數(shù)據(jù)下載到目標(biāo)系統(tǒng)的功能。加電自舉記錄格式如表1所示。

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加電自舉記錄中前四個字節(jié)為地址，指明所要操作(讀、寫或運行)的目標(biāo)系統(tǒng)RAM地址;計數(shù)/模式字節(jié)規(guī)定了加電自舉記錄的功能;最后是N個字節(jié)的數(shù)據(jù)。計數(shù)/模式字節(jié)中數(shù)據(jù)計數(shù)為0有其特殊的用途:表示從指定的地址開始執(zhí)行程序。此時，計數(shù)/模式字節(jié)后不能再有數(shù)據(jù)。

使用加電自舉程序下載數(shù)據(jù)或程序，代碼必須轉(zhuǎn)化為包括加電自舉記錄的文本文件。作者編寫了一個程序ConvertBinToBL，可將編譯好的ARM可執(zhí)行文件(BIN格式)轉(zhuǎn)化為包含加電自舉記錄的文本文件，需要的讀者可電子郵件(ltjszhq@163.com)向作者索取。

3 家庭智能控制終端硬件設(shè)計

家庭智能控制終端硬件包括CPU、電源及復(fù)位電路、晶振、Flash存儲器、SDRAM存儲器、串行口、網(wǎng)絡(luò)接口、家電控制(I/O口)、鍵盤、LCD顯示器等電路模塊。其中 CPU采用 MC9328MX1，串行口采用MAX3221擴(kuò)展(實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換的功能)，F(xiàn)lash存儲器使用兩片28F320J3A(每個芯片提供16位數(shù)據(jù))，SDRAM存儲器采用兩片K4S281632D芯片擴(kuò)展［2］。整個系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

其中28F320J3A片選接CPU引腳/CS0，其地址空間范圍是 0x10000000～0x107FFFFF，共 8MB。K4S281632D片選接CPU引腳/CS2，其地址空間范圍是0x08000000～0x09FFFFFF，共 32MB。另外，CPU內(nèi)部還包含128KB的 SRAM，其地址空間范圍是0x00300000～0x0031FFFF。在進(jìn)行BOOTLOADER設(shè)計時，需要進(jìn)行存儲器分配，并將映像文件下載到正確的地址空間中。

4 BOOTLOADER設(shè)計

本文所設(shè)計的BOOTLOADER程序工作于內(nèi)核啟動裝載模式時，會將操作系統(tǒng)內(nèi)核映像和應(yīng)用程序映像裝載到RAM中，并跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)入口處執(zhí)行。若BOOTLOADER程序工作于自舉模式，則將自身映像裝載到RAM并運行，根據(jù)串口發(fā)送過來的指令下載操作系統(tǒng)內(nèi)核映像、應(yīng)用程序映像或自身映像到RAM，然后將之寫入到 Flash存儲器中。另外，SDRAM與CPU連接需要有SDRAM控制器(已經(jīng)集成到MC9328MX1內(nèi)部)進(jìn)行控制，經(jīng)過初始化才能夠正確使用［3］。SDRAM初始化程序代碼如下:

BOOTLOADER程序總流程圖如圖2所示。

圖2 BOOTLOADER程序總流程圖

第一次下載BOOTLOADER程序時，需要先將其轉(zhuǎn)化為加電自舉文件，然后使用PC機(jī)上的超級終端程序傳送到目標(biāo)系統(tǒng)中，再次下載BOOTLOADER程序時，可先運行 BOOTLOADER，將自身裝載到 RAM中運行，將新的BOOTLOADER下載到RAM中并寫入Flash。

5 結(jié)束語

本文基于高性能嵌入式微處理器MC9328MX1，擴(kuò)展SDRAM和Flash存儲器以及其他外圍電路，設(shè)計了一個家庭智能控制終端。介紹了BOOTLOADER程序的概念和功能，設(shè)計了一個BOOTLOADER程序。該BOOTLOADER程序能將用戶應(yīng)用程序下載到Flash存儲器中并啟動運行，可提高程序下載和啟動運行的速度，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，還可以從網(wǎng)絡(luò)上更新應(yīng)用程序，提高了系統(tǒng)的可靠性。本文將BOOTLOADER程序應(yīng)用于家庭智能控制終端系統(tǒng)中，取得了令人滿意的使用效果。

［1］王祖林，龍翔，鄭紅.新一代嵌入式微處理器龍i.MX結(jié)構(gòu)及應(yīng)用基礎(chǔ)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［2］朱博，孫運強(qiáng).嵌入式系統(tǒng)的U－Boot移植分析［J］.中國測試技術(shù)，2008，(02):57－60.

［3］MC9328MX1 Reference Manual［Z］.Motorola，Inc.2003.