嵌入式系统学习中的难点解析

2024年9月21日发(作者：)

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计算技术与自动化・　

嵌入式系统学习中的难点解析　

刘国梅．王亚楠　

ｆ郑州航空工业管理学院计算机科学与应用系，河南

摘

郑州４５００１５）　

要：嵌入式技术的学习有一定的难度，在越来越多的人开始学习嵌入式技术的情况下，本文结合自己实际的学习经验，分析　

了初学嵌入式技术时的几个难点，包括嵌入式系统的引导过程、ＡＲＭ映像文件、￥３Ｃ２４１０的启动模式，文中对这些难点进行了详细的　

解析。　

关键词：嵌入式系统；Ｂｏｏｆｌｏａｄｅｒ；ＡＲＭ映像文件；￥３Ｃ２４１０启动模式　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ｉｓｓｕｅｓ　ｉｎ　Ｓｔｕｄｙｉｎｇ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　

ＬＩＵ　Ｇｕｏ—ｍｅｉ，ＷＡＮＧ　Ｙａ－ｎａｎ　

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　Ｉｎｓｔａｔｅ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，Ｈｅｎａｎ　Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００１　５）　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ；Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ；ａｒｍ　ｉｍａｇｅ　ｆｉｌｅ；ｓｔａｒｔｕｐ　ｍｏｄｅ　ｏｆ￥３Ｃ２４１０　

嵌入式系统被定义为以应用为中心，以计算机技术为基础，　

软硬件可裁剪，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、　

体积、功耗等严格要求的专用计算机系统，目前嵌入式技术已广　

泛应用于国防、军工、航天航空、移动通讯、机器人、工业控制、医　

疗仪器、汽车电子等领域。由于社会对掌握嵌入式技术人才的大　

量需求，学习嵌入式技术的人越来越多，国内多所院校也已开设　

了嵌入式系统的相关课程。　

操作系统的Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ功能比较简单，是最简单的ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ，叫　

做硬件启动程序更合适一些。　

２　ＡＲＭ映像文件　

（１）　．ａｘｆ格式和　．ｂｉｎ格式文件　

ＡＤＳ编译后生成的ＡＲＭ映像文件有　．ａｘｆ格式和　．ｂｉｎ　

格式两种，有时二者容易被混淆。其实　．ｂｉｎ格式文件是真正的　

可执行文件，而　．ａｘｆ格式文件是ＡＲＭ特有的调试文件，里面　

除了包含　．ｂｉｎ格式文件的内容之外，还附加了许多其它调试信　

息，这些调试信息可以用在ＡＸＤ　Ｄｅｂｕｇｇｅｒ的调试中，在ＡＸＤ　

Ｄｅｂｕｇｇｅｒ中通过Ｌｏａｄ　Ｉｍａｇｅ命令下载　－ａｘｆ格式的文件到目标　

板的ＲＡＭ中运行调试。由于烧写工具是原封不动地将映像文件　

烧人Ｆｌａｓｈ中，所以　．ａｘｆ格式文件是不可以被烧人的，否则　

Ｆｌａｓｈ的ＯｘＯ０００００００处就不是真正的第一条指令，而是　．ａｘｆ　

格式的头部分。应该将　．ｂｉｎ格式文件烧入，保证Ｆｌａｓｈ的　

ＯｘＯ０００００００处是第一条指令。总之，　．ｂｉｎ格式文件是用来被烧　

但是嵌入式系统不像那些８位单片机好懂，嵌入式系统的　

学习有一定的难度，特别是入门阶段，好多东西不懂，下面结合　

自己学习嵌入式技术时的实际经验，对初学嵌入式时容易迷惑　

的几个难点，同时也是比较重要的地方加以分析，希望能对初学　

者有所帮助。这里以学习ａｒｍ９微处理器和嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系　

统为例。　

１　嵌入式系统的引导过程　

一

般的嵌入式系统在主程序执行之前都需要执行一些初始　

化的过程，来完成对系统的初始化，并创造嵌入式程序运行的环　写入Ｆｌａｓｈ中的，而　．ａｘｆ格式文件是在ＡＸＤ　Ｄｅｂｕｇｇｅｒ中通过　

Ｌｏａｄ　Ｉｍａｇｅ命令下载调试用的。　

（２）ＡＲＭ映像文件的结构　

一

境，完成初始化过程的代码就是系统引导程序（Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ）。　

ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ所执行的操作跟具体的目标系统和开发系统有关，但　

通常可分为两大类：带操作系统的ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ和不带操作系统　

ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ。　

个典型的可执行程序的映像文件结构通常如图ｌ所示。　

ＲＯ段一般包括代码段和一些常量，在运行的时候是只读　

的。而ＲＷ段包括一些全局变量和静态变量，定义时带初始值，　

在运行的时候可以被改变（读写）。如果有部分全局变量被初始　

化为零，则ＲＷ段里还包括了ｚＩ段。因为ＲＯ段是只读的，在运　

行的时候不可以被改变，　一　

不带操作系统的Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ完成的主要功能包括：分配中断　

向量表；初始化存储器系统；初始化堆栈；初始化有特殊要求的　

端口、设备；初始化应用程序执行环境；改变处理器模式；呼叫主　

应用程序，即最后跳到ｍａｉｎ函数执行应用程序。　

带操作系统的Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ的启动大多数分为ｓｔａｇｅ１和　

所以，在运行的时候，Ｒ０　

段可以驻留在Ｆｌａｓｈ里　

或者ＳＲＡＭ里了，这样速

度会更快些），而ＲＷ段　

映像文件　

｝　

Ｉ　

、　

ｌ　

Ｚ】　

ｓｔａｇｅ２两大部分，ｓｔａｇｅ１阶段主要包含依赖于ＣＰＵ体系结构及　

硬件设备的初始化等，通常都用汇编语言来实现。这个阶段的主　

要任务有：①基本的硬件设备初始化；②为加载ｓｔａｇｅ２阶段的代　

（当然也可以在ＳＤＲＡＭ整个可执行　Ｊ　

是可以被读写的，所以运　

行的时候必须被装载到　

ＳＤＲＡＭ或者ＳＲＡＭ里。　

ＲＷ　

码准备ＲＡＭ空间；③复制ｓｔａｇｅ２阶段的代码到ＲＡＭ空间中；④　

设置好堆栈；⑤跳转到ｓｔａｇｅ２阶段的Ｃ程序人口点。Ｓｔａｇｅ２阶段　

通常用Ｃ语言来实现，以便实现更复杂的功能，也使程序有更好　

的可读性和可移植性。这个阶段的主要任务有：①初始化本阶段　

ｌ　

ＲＯ　

图１　可执行程序映像的结构　

要使用到的硬件；②检测系统内存映射（ｍｅｍｏｕ　ｍａｐ）；③将内　

核（ｋｅｒｎｅ１）映像和根文件系统映像从Ｆｌａｓｈ读到ＲＡＭ空间；④为　

图１中所示的映像文件的结构图指的是映像文件被烧人　

（存放）在ＲＯＭ／Ｆｌａｓｈ中时的状态，这时ＲＷ直接跟在ＲＯ后面，　

内核设置启动参数；⑤调用内核。　

可以看出，带操作系统的Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ完成的功能复杂，不带　

当程序运行时，初始化程序会把ＲＷ或ｚＩ拷贝到相应的地方。　

到底拷贝到什么位置，是通过设置ＲＯ　ＢＡＳＥ和ＲＷ　ＢＡＳＥ，　

告诉链接器（１ｉｎｋｅｒ）该程序的起始运行地址（ＲＯ　ＢＡＳＥ）和　

ＲＷ段的地址ｆＲＷ　ＢＡＳＥ）。如果一个程序只有ＲＯ段，没有　

ｎＧＣＳ０，ＣＰＵ从０ｘ００００００００位置的“Ｓｔｅｐｐｉｎｇｓｔｏｎｅ”中开始执行启　

动代码。这４ｋ代码必须把更多的代码从Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ中读到　

ＳＤＲＡＭ中去，因此要把最核心的启动程序放在Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ　

的前４Ｋ中。　

ＲＷ段，那么这个程序可以完全在Ｆｌａｓｈ里运行，不需要用到　

ＳＤＲＡＭ或者ＳＲＡＭ。如果一个程序既包括ＲＷ段又包括ＲＯ　

段，那么该程序的ＲＷ段必须在被访问之前被拷贝到ＳＤＲＡＭ　当程序被烧写到Ｎｏｒ　Ｆｌａｓｈ中时，则程序可以直接在Ｎｏｒ　

或者ＳＲＡＭ里去，以保证程序可以正确运行。　

执行前　执行时　

…

Ｑ如ＩＥＥ　

ＲＡＭ　

０ｘ０Ｃ０００　．　．　

Ｚｌ　ｓｅｃｔｉｏｎ　

ＲＷ　ｓｅｃｔｉｏｎ　

０ｘ０Ａ０００　

’　

ＲＯＭ　

ＲＷ　ｓｅｃｔｉｏｎ　

一一　

（！　Ｄ８㈣一　

ＲＯ　ｓｅｃｔｉｏｎ　

Ｒ０　ｓｅｃｔｉｏｎ　

．一一　

Ｑ　一　

图２映像文件在执行前和执行时的状态图　

图２说明ｒ一个可执行映像文件执行前和执行时的状态。　

从图中可以看到，整个程序在执行前是放在ＲＯＭ／Ｆｌａｓｈ里的，在　

执行的时候，ＲＷ段被拷『Ｊ］到了ＲＡＭ里的合适位置去。这时ＲＯ　

和ＲＷ的起始地址分别由ＲＯ　ＢＡＳＥ和ＲＷ　ＢＡＳＥ指定，也　

就是说，ＲＯ　ＢＡＳＥ和ＲＷ　ＢＡＳＥ的值是在映像文件开始运　

行时才起作用，当然，这里也用到了内存地址重映射。如果映像　

文件仅仅是存放存ＲＯＭ／Ｆｌａｓｈ中，映像文件是按图１的方式存　

放ＲＯＭ／Ｆｌａｓｈ中的，Ｒｗ直接跟在ＲＯ的后面。　

３　Ｓ３Ｃ２４１０的启动模式　

￥３Ｃ２４１０支持两种启动模式：从Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ启动和从外　

部ｎＧＣＳ０片选的Ｎｏｒ　Ｆｌａｓｈ启动，默认的是从Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ启　

动。　

￥３Ｃ２４１０到底从哪儿启动是由外部管脚ＯＭ１和ＯＭ０的电　

平组合决定的，ＯＭ１　ＯＭ０＝００，表示从Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ启动，ＯＭ１　

ＯＭＯ＝Ｉｌ，表示测试模式，其余的为Ｎｏｒ　Ｆｌａｓｈ启动，其中ＯＭ１　

ＯＭ０＝Ｏ１表示１６ｂｉｔ的存储器，ＯＭＩ　ＯＭＯ＝１０表示３２ｂｉｔ的存储　

器。　

当程序被烧入到Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ中时，程序不能直接在Ｎａｎｄ　

Ｆｌａｓｈ中运行，￥３Ｃ２４１０处理器内部集成了８位Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ控　

制器，在该Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ控制器内部有一个被称为“ＳｔｅＰＰｉｎｇ—　

ｓｔｏｎｅ”的４Ｋ的ＲＡＭ。当ＯＭ１、ＯＭ０都是低电平——即￥３Ｃ２４１０　

从Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ启动时，Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ的前４ｋ代码会被自动地复　

制到“Ｓｔｅｐｐｉｎｇｓｔｏｎｅ”中，“Ｓｔｅｐｐｉｎｇｓｔｏｎｅ”被映射为地址０，即　

Ｆｌａｓｈ中运行，只需要将Ｎｏｒ　Ｆｌａｓｈ映射到存储器控制器的第０　

块，即ｎＧＣＳＯ，再设置相应的寄存器即可。　

在这两种启动模式下，各片选的存储空间分配是不同的，　

如图３所示。　

‘

裟　装　

懋　蒜　

１如　Ｂ　

ｓＲｏＭ　

Ｓ４１　１　ｅ　船　

｝　

｛　ＣＳ３　１２８　Ｂ　

１２　Ｍ８　

ｊ—　０Ｍ　８　

ｔ　（ｎ辟Ｃｓ　１　

隔露蕊蕊蕊　：　＇２　＾　

图３￥３Ｃ２４１０的存储空间分配　

４结束语　

俗话说，万事开头难，特别是对于有一定难度的嵌入式系统　

的学习，入门阶段更是容易迷惑，好多东西不能很好地理解，本　

文的目的就是帮助初学者能够较快地突破难点，能够较快地掌　

握嵌入式系统的基础知识，入了门以后，对整个嵌入式基础知识　

有了较好的理解和掌握，在此基础上再进行更深一步的学习　

和开发相对来说就会容易～些。当然，嵌入式系统的学习　

还有很多其他需要注意的地方，例如要多动脑、多动手、多　

实践、多研究、多分析源代码，很多时候需要通过跟踪调试　

才能真正理解系统的执行过程，等等，学习者可以在学习的过程　

中不断地总结。　

参考文献：　

【ｌ】徐英慧，马忠梅等．ＡＲＭ９嵌入式系统设计一基于￥３Ｃ２４１０　

与Ｌｉｎｕｘ［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００７，（９）．　

［２］杜春雷．ＡＲＭ体系结构与编程【Ｍ】．北京：清华大学出版社，　

２００３．　

【３］李岩，王小玉，孙永春．嵌入式系统教学研究ｌＪＪ．南京：电气　

电子教学学报，２００６，２８（３）．　

教研项目：郑州航空工业管理学院（ｚｈｊｙ～０８—０１—５１）