华中科技大学 硕士学位论文 基于MIPS的嵌入式引导技术研究与实现 姓名：原建业 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：胡贯荣 20090523 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 I 摘 要 在嵌入式系统中，引导/装载程序通常负责对内核的引导和为软件开发提供一个良 好的调试环境， 在传统的引导/装载程序中， 仅完成简单的引导工作和基本的调试接口。 随着嵌入式系统的不断复杂化， 对引导/装载程序提出了新的维护需求。 设计一套引导 /装载程序，具备任务调度能力和网络通信能力，具备良好的扩展性，从而满足嵌入式 系统对引导/装载程序的各种维护需求。 以基于 MIPS 4Kec 微处理器的 SMP8635 芯片为硬件平台， 研究 MIPS 体系结构下 Linux 系统的引导技术。构建了由基础模块、核心模块和扩展功能模块构成的三层模 型。基础模块实现系统的初始化，异常处理及引导；核心模块实现网络协议栈和任务 调度；扩展功能模块完成具体的功能需求。 基础模块中，通过研究 MIPS 体系结构特征，对 MIPS 4Kec 的通用寄存器、控制 寄存器和内存管理机制进行了初始化，实现了 MIPS 体系结构对各类异常的处理，实 现了 MIPS 体系结构下对 Linux 内核的引导和内核参数的传递。核心模块中，针对 MIPS 处理器完成了 C/OS-II 的移植，实现了任务调度机制，在 C/OS-II 上实现了 LwIP 操作系统模拟层， 设计了 LwIP 的网卡驱动， 实现了通信功能。 扩展功能模块中， 实现了对控制命令的解析，相关参数的传递和函数的执行。实现了对 romfs 文件系统 的文件提取执行，显示开机画面。设计了一键恢复模式，从而实现对产品的维护。 关键词：关键词：引导/装载程序， 任务调度机制， 轻型网络协议栈 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 II Abstract Bootloader is used to load operating system kernel and to provide a well environment for debugging operating system kernel and applications in embedded system. Traditional Bootloader is usually booting the operating system kernel and providing a basic debugging interface only, with the increasing of embedded system, Bootloader is asked to meet the requirement of maintenance. So designing a Bootloader with the capacity of task scheduling and network communications capabilities is necessary. In the topic, Bootloader is based on the chip named SMP8635 who used MIPS 4Kec as its central processing unit. Through porting the operating system named C/OS-II and the network communication protocol named LwIP, Bootloader will have the capacity of task scheduling and network communication. Therefore it can meet the requirement of expansion. Through analysising the features of MIPS architecture, this topic will initialize the register in MIPS 4Kec correctly, initialize cache and tlb correctly. Next, it will implement the mechanism to deal with abnormal event. And then, the methods to boot Linux kernel will be given. After analysising the parts of C/OS-II which are related with architecture and compiler, the operating system C/OS-II will be ported to MIPS. After analysising the communication mechanism of LwIP, the operation system emulation layer of LwIP will be implemented on C/OS-II and the ethernet driver of LwIP will be designed. Last, the model which can analysis command will be added to the Bootloader. The boot screen and the recovery mechanism will be added to the Bootloader also. Key words：Bootloader, C/OS-II, LwIP 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 1 1 绪论 1 绪论 1.1 课题背景课题背景 近年来，嵌入式的需求越来越广泛，对于嵌入式的研究也逐渐深入，嵌入式已经 渗透到我们生活的各个部分，很大程度的改变了我们生活，工作和娱乐方式1。嵌入 式在影响我们生活习惯的同时把它的触角伸入社会的各个领域，从军用装备到医疗器 械，从工业控制设备到通信终端设备，无处不见嵌入式的身影2。 嵌入式是软件和硬件的综合体， 是一种通常作为装置或设备的一部分的专用系统。 几乎所有带有数字接口的设备，如电子手表，数码相机，电冰箱，微波炉，汽车等都 使用嵌入式系统3,4。对于一些较为复杂的，对智能需求较高的嵌入式系统，一个强大 的， 功能完善的操作系统是其中必不可少的一部分5,6。 在应用嵌入式操作系统过程中， 对操作系统正确，完善的加载和引导是操作系统运行的前提。所以，在较复杂的嵌入 式系统开发过程中，引导/装载程序是前期的主要任务之一7。 引导/装载程序又叫 Bootloader，它通常仅仅完成内核引导工作。为了协助硬件测 试和操作系统调试，它的概念被扩宽了。在一些相对复杂的需求下，Bootloader 被要 求完成一些针对具体硬件的操作，同时要求支持通过与计算机通信来重新下载系统内 核8,9。随着嵌入式设备功能的不断强大，可支配资源的日益丰富，Bootloader 慢慢成 为系统维护的一个重要组成部分，来帮助维护人员和用户对系统进行维护，减轻由于 系统故障导致的损失。 Bootloader 是和具体的体系结构和硬件设备联系最紧密的程序之一。具体的 Bootloader 基本只针对一种具体的硬件环境。当硬件环境发生改变时，Bootloader 就 必须重新设计或者进行大量的移植工作10。 不同体系结构之间的 Bootloader 很少有可 共用代码。常见的功能较为强大的 Bootloader 中，大多针对 ARM 的芯片11。 本课题源于精伦电子的 PIAT-6 系列产品研发项目，该产品系列采用了 MIPS 4Kec 的处理单元。本课题旨在为其设计一款 Bootloader，该 Bootloader 除了具备传统 Bootloader 所具备的系统初始化和系统引导的功能外，还将具备任务调度和网络通信 的能力， 从而具备良好的可扩充性和灵活性， 满足系列中不同型号的产品的维护需求。 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 2 1.2 国内外发展概况国内外发展概况 1.2.1 嵌入式系统嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠 性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统12-14。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器，外围支撑硬件和软件构成。外围支撑硬件主要 包括输入操控设备、输出显示设备、存储设备和其他一些通信接口等15,16。随着嵌入 式系统的不断复杂化，嵌入式系统的软件逐渐由单一的功能程序向嵌入式操作系统与 基于操作系统的应用程序相结合的方向发展17,18。 嵌入式系统相对于其他计算机系统来说，通常有如下几个主要特点： 1.软件固化：嵌入式系统通常没有硬盘等存储设备，一般将其软件固化在 ROM， Flash 等存储介质中19。 2.面向应用：不同的嵌入式系统针对不用的应用需求，系统针对特定的应用裁剪 和优化20。 3.资源有限：嵌入式系统的可用资源往往非常有限。 嵌入式系统已经有将近 40 年的历史了，通常将 Intel 在 1971 年研制成功的 4004 微处理器作为嵌入式系统诞生的标志。嵌入式系统在它 40 多年的发展历程中，大概 经历了一下 4 个主要阶段21-23： 第一个阶段的嵌入式系统以单芯片为核心，没有操作系统，用汇编语言直接操作 硬件，系统功能和结构单一，处理效率低。 第二个阶段的嵌入式系统以 CPU 为核心，具备了简单的操作系统，操作系统具备 了一定的扩展性，但通用性较弱，用户界面也不够友好。 第三个阶段的嵌入式系统以强大的嵌入式操作系统为标志。这一阶段的操作系统 具备了很强的通用性和兼容性。操作系统效率高，且高度模块化，从而具备很强的扩 展性。 这一阶段了嵌入式系统具备图形界面， 用户界面非常友好， 应用软件非常丰富。 第四个阶段的嵌入式系统以 Internet 在嵌入式中的广泛应用为标志。该阶段的嵌 入式系统具备很强的网络访问能力。网络和嵌入式的融合同时使得对嵌入式系统的操 控极为便捷。这是一个有着蓬勃生机，具备广阔发展前景的嵌入式发展新阶段。 随着嵌入式系统的不断发展，它已经逐渐渗入到社会的各个领域，嵌入式计算机 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 3 在应用数量上的已经远远超过其他各类计算机的总和24-26。嵌入式系统被广泛应用于 通信业，制造业，仪器仪表，交通运输，航空航天，军事装备等领域27。随着微处理 器集成度和速度效率的不断