[信息与通信]7引导与驱动《嵌入式系统原理》.ppt
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1、嵌入式系统原理 第四章 启动:引导与驱动,引 言,引导是系统启动和运转的第一步,是系统从硬件走向系统软件的开始,从这一刻开始,系统将从固化的代码和静态的电路转变为动态运行的程序和具有功能的系统。 启动前操作系统仅仅是存储在不挥发介质中的代码,从启动的一刻开始,操作系统将被装载到内存中成为有完整功能的运行系统。这个装载的过程就是引导,而为了保证系统功能可以正常调用,所做的初始化准备就是驱动。 顺利进行引导与驱动两部分工作就是引导层要完成的使命。,4.1引导层建立,接口的统一性和友好性,控制度 兼容性,加载操作系统映象(EPROM、FLASH ),加电自检,引 导 层,系统配置,人机交互,可控状态
2、与不可控状态,处于不可控状态下的系统是不稳定的 引导层的可控性与厚度成正比,引导过程,加电,硬件检测,引 导 代 码,初始化硬件环境,载入内核映象,控制权移交,内核配置信息,系统复位,从0xFFFF0运行BIOS,运行MBR引导程序,运行活动分区引导程序,读入内核映象,PC 机 引 导 过 程,BIOS(基本输入输出系统),DOS的设备驱动层 软硬件分离 扩展能力增强 开放设备得以应用 功能 自检及初始化程序 程序服务处理 中断处理,BIOS的主要内容,自诊断测试程序 系统自举装入程序 系统设置程序 主要I/O设备的I/O驱动程序 中断服务程序,BIOS的功能及其分类,自检及初始化程序 硬件中
3、断处理 程序服务请求,自检及初始化,加电自检 POST 初始化 创建中断向量 设置寄存器 对外设进行初始化和检测 引导程序,程序服务处理和硬件中断处理,操作系统、应用程序,硬件中断处理,程序服务处理,外设,BIOS,中断向量分配表,嵌入式系统中的BIOS环节,自检 初始化 参数设置,BootLoader,Boot Loader就是在操作系统内核运行之前运行的一段特殊程序,它负责将操作系统从非挥发介质或网络接口读出并放至内存中。 硬件检测 初始化硬件 配置内核 调用操作系统内核,驱动部分,驱动 效率,电子阅读器的BIOS,系统自检 完成MASK ROM、FLASH、SRAM、按键等硬件的检测工作
4、。 SM卡系统升级 在加电进入自检菜单后,可以进入SM卡系统升级状态,BIOS根据SM卡的类型,自动完成系统升级工作的服务。 程序自举 加电无按键 BIOS程序在完成初始化 对SM卡等进行安全性检测 将程序引导到操作系统和应用程序,并将控制权移交操作系统 USB功能 在进入自检主菜单后,自动完成USB端口检测,对SM卡进行读写操作,嵌入式Linux启动过程,系统初始化,初始化,检测硬件,驱动程序,装载root,初始进程,初始化总线、网络,初始化外设,文件系统,4.2引导模式,研究引导模式的目的 成本 安全 功耗,非片内引导 将数据段复制到RAM 直接从非挥发介质中运行内核 片内引导 把内核从非
5、挥发介质中复制到RAM 从RAM中运行内核,非片内引导引导加载程序,BootLoader (ARM、x86、MIPS ) 初始地址:Ox00000000 (0xFFFFFFFF) Stage1:平台相关代码,如设备初始化 设置时钟、中断控制寄存器等,完成内存映射、初始化MMU Stage2:平台无关代码 装载内核,中断 RAM CPU频率,测试RAM,地址 参数,串口 计时器,地址 范围,CPU寄存器 CPU模式 Cache MMU,问题与优点,占用内存 启动速度慢 不稳定:程序运行于内存中,处于可修改状态 可更新 通用性 灵活性,片内引导方式,两种运行方式 将固化在Flash中的内核先映射到
6、RAM的某一段地址区间 PC(程序计数器)指向起始地址 直接在Flash中运行操作系统内核,BootLoader 地址:0H,关中断,数据内存,内核,初始化定时器,初始化进程调度,驱动程序,文件系统(Ramdisk),程序可以固化,不必和数据同时调入存储器,解决了复制自身的问题,增强了安全性,提高处理速度,程序不可修改,减少内存消耗,结构复杂,4.3中断、I/O、MMU初始化,4.3.1中断初始化 4.3.2 I/O初始化 4.3.3MMU初始化,中断,处理器,中断源,中断服务程序,中断产生,中断响应,返回,当前进程,什么是中断,CPU接到中断信号后,暂停正在执行的程序,而转去处理中断指令,直
7、到处理完毕,再转回原程序的中断点继续执行 中断过程 现场保护:寄存器+程序计数器 装入中断向量表 运行中断指令 现场恢复,软中断和硬中断,软中断 一种信号机制 由内核机制的触发事件引起的中断 信号机制:进程运行超时,程序陷阱 硬中断 可屏蔽与不可屏蔽中断 由硬件发送中断信号引起的中断,如I/O 电源失效,网络新数据,中断初始化,设置中断向量表 引导程序 操作系统内核 应用程序 256个中断向量,00000h,0x003FFh,内存,偏移量,基地址,基地址,X86中断向量表,编写中断程序例程 将例程的入口地址写入相应中断向量表 特点 中断向量与程序分离 灵活性:便于编程 安全性差:数据程序不分,
8、ARM中断向量表,中断向量表必须放置在从0开始、连续84字节的空间内 向量表包含一系列指令跳转到中断服务程序,中断向量表的初始化,设 备 一,设 备 二,设 备 三,中断请求队列,中断请求队列的初始化,中断向量表,4.3.2 I/O初始化,I/O系统包括: 输入输出设备 设备控制器 输入输出操作有关的软硬件 I/O系统的主要功能 信息编址 信息通路 信息传送 格式转换 状态控制信息,总 线,I/O控制器,设备,设备,设备,I/O控制的方式,程序I/O CPU等待I/O设备完成数据传送 中断I/O 当传输完一个数据之后,CPU做中断处理 适合于字符设备 DMA 适合于数据转换速率要求高的系统 不
9、需要CPU干预 不需要中间媒介,浪费CPU,适合字符设备,适合块设备,I/O系统的分类,按传输速率分类 低速设备:数百字节/秒 键盘、鼠标 中速设备:数十K字节/秒 打印机、激光打印机 高速设备:数十兆字节/秒 磁带机、磁盘机、光盘机 超高速设备:数百兆字节/秒 万兆网,I/O系统的分类,按信息交换的单位分类 块设备:信息的存取总是以数据块为单位 磁盘:512B4KB 字符设备 :以字符为基本单位 显示器、键盘、打印机 设备控制器 :CPU与I/O设备间的接口 控制I/O设备 可编址,I/O系统的分类,I/O通道(I/O处理器) 优点 承担繁杂的I/O任务 CPU减轻负担 缺点 价格昂贵 I/
10、O瓶颈,CPU,内存,I/O通道,设备控制器,设备,设备,设备,设备驱动程序,接收上层软件发来的抽象要求 发送具体要求给设备控制器,启动设备去执行 将设备控制器发来的信号传送给上层软件 设备中断程序,I/O完成后的收尾工作,软件,设备 驱动,设备 控制 器,I/O初始化,定义数据结构 设备控制表 设备类型,设备标识符,设备状态(等待/不等待),指向控制器表的指针,设备队列的对手指针,重复执行次数或时间 控制器表 控制器标识符,控制器状态,与控制器连接的的通道表指针,控制器队列的队首指针,控制器队列的队尾指针,定义数据结构,通道表 通道标识符,通道状态,与通道连接的控制器表首址,通道队列的队首指
11、针,通道队列的队尾指针 系统设备表 设备类,设备标识符,驱动程序入口,初始化过程,I/O端口的检查和登记 DMA和IRQ的初始化检查和登记 DMA:交换内存空间 设备请求队列的初始化 设备控制寄存器的检查和初始化,4.2.3MMU初始化,MMU(Memory Management Unit ) 管理虚拟内存系统 功能 支持存储器动态分配,提供存储器保护。 MMU关掉时,虚地址直接输出到物理地址总线。 支持虚拟存储器,将虚地址转换成物理地址。 系统的某些地址段是不允许被访问的,否则会产生不可预料的后果,为了避免这类错误,可以通过MMU匹配表的设置将这些地址段设为用户不可存取类型。,段访问页访问,
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