基于ＰＸＡ微處理器的引導系統的研究與實現

摘要：分析了普通嵌入式微處理器的引導過程，并介紹了PXA微處理器的基本特性和Xscale的基本架構，在此基礎之上對Marvell公司提出的基于PXA微處理器的新的引導策略進行詳細分析。

關鍵詞：嵌入式；引導；下載

中圖分類號：TP368文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)16-21329-03

To Research and Implement the Boot System Based on PXA

HAN Sheng-zhong

(Software College，Southeast University，Nanjing 210000，China)

Abstract:In this paper the boot procedure of the common micro processor are analyzed. In addtion，the basis features of PXA and the architecture of Xscale are introduced. Besides，the new boot strategy of Marvell based on PXA is detailed described.

Key words:embedded;boot;download

1 引言

20世紀70年代，微處理器的出現，計算機出現了歷史性的變化。為了區別于原有的通用計算機系統，把嵌入到對象體系中并實現對象體系智能化控制的計算機，稱作嵌入式計算機系統。嵌入式系統的開發離不開對其引導系統的設計，目標機系統在通電之后，由引導系統導入到系統引導程序，最終將控制權轉到操作系統。根據不同的硬件特性，要制定與其相稱的引導系統。同樣，引導系統的設計也是嵌入式開發過程中的技術難點。

2 嵌入式引導系統

嵌入式系統常常采用EPROM或閃存存儲操作系統映像。存放在磁盤上的映像當然不可能在磁盤上“就地”運行，而在EPROM或閃存中的映像是有可能“就地”運行的，因為EPROM或閃存通常是內存的一部分，而且是內存中一個特殊的區間。從理論上說，如果操作系統映像，主要是其程序代碼，可以在EPROM或閃存中就地運行，那么所謂“引導”的過程就不復存在，從而引導裝入程序就不是必須的了。可是，實際上大多數嵌入式程序還是采用引導裝入程序，而不讓可執行映像在EPROM或閃存中就地運行。嵌入式系統的操作系統內核往往與應用軟件靜態地連接在一起，而且程序的開發通常是在另一臺“主機”上進行，所以每次修改程序以后都要把新的映像“下載”到目標機中，此時就得依靠目標機的引導裝入程序。因此對嵌入式微處理器引導系統的研究成為當前比較流行的研究方向之一 。

2.1 普通引導技術概述

在嵌入式系統中，通常并沒有像BIOS那樣的固件程序，常用的啟動方法是先通過JTAG將嵌入式操作系統內核寫進Flash，再由其帶的引導程序bootloader完成嵌入式系統的啟動引導工作。這種方法要借助昂貴的JTAG設備完成操作系統內核的燒寫工作，并且不能方便地更新嵌入式系統中的軟件平臺。隨著技術的發展，人們想到了將bootloader與操作系統內核獨立開來，這樣可以克服嵌入式系統軟件平臺的更新問題，也就是說在引導程序中可以完成映像文件的下載工作。而BootLoader本身可以通過EPROM編程器，或者通過JTAG接口寫入閃存芯片。而引導裝入程序在哪里運行？目前較為流行的方法是將引導裝入程序分為兩部分，開頭一部分是在ROM或閃存中執行，執行中將一部分映像裝入RAM，在轉入這部分映像，此后就在RAM中執行?？墒?，即便這樣，仍然存在兩個明顯的缺點：1)bootloader更新不方便；2)映像文件下載的可靠性和安全性沒有得到保證。

2.2 當前目標板燒寫技術的概述

新開發的目標板沒有任何程序可以執行，從而不能啟動，需要先將引導程序燒寫到 Flash中。如果主板上的EPROM或者Flash能夠取下來，就可以通過編程器燒寫。例如：計算機BIOS就存儲在一塊256KB的Flash上，通過插座與主板連接。但是多數嵌入式單板使用貼片的Flash，不能取下來燒寫。這種情況可以通過處理器的調試接口，直接對板上的Flash編程。處理器調試接口是為處理器芯片設計的標準調試接口，包含BDM、JTAG和EJTAG3種接口標準。BDM(Background Debug Mode)主要應用在PowerPC8xx系列處理器上；JTAG主要應用在ARM處理器；EJTAG主要應用在MIPS處理器上。這3種硬件接口標準定義有所不同，但是功能基本相同，都統稱為JTAG接口。

通常，最簡單方式就是通過JTAG電纜，將目標板轉接到計算機并口連接。這需要在宿主機端開發燒寫程序，還需要有并口設備驅動程序。目標板通電或者復位的時候，燒寫程序探測到處理器并且開始通信，然后把Bootloader下載并燒寫到Flash中。這種價格相對便宜，但是速率很慢。一般來說，平均每秒鐘可以燒寫 100-200個字節。

3 PXA處理器的基本結構

3.1 Intel PXA27x 的基本架構

因為引導系統是與處理器緊密相連的，所以這里介紹一下處理器的基本結構。PXA27X的基本框架結構圖如圖1所示：

圖1 PXA27X的框架結構圖

Intel Xscale核是StrongARM的一個增強集，它與ARM V5TE 兼容，因此它是一個典型的ARM嵌入式系統。另外，PXA系列目前廣泛應用于各類嵌入式系統中，是市場主流的嵌入式系列。對其研究，具有一定的前瞻性和典型性。

3.2 Marvell PXA3xx 的特性

2006年中宣布并購英特爾(Intel)通信處理器部的Marvell公司，稍早前發布了用于手持裝置的PXA3xx系列應用處理器。之前該產品在英特爾的內部開發代號為Monahans，以英特爾第三代Xscale技術為基礎；Marvell在該系列芯片上運用了智能功耗管理技術，頻率速度范圍為624MHz~860MHz，聲稱可為手機制造商提供開發差異化產品的靈活解決方案。

PXA3xx系列現有PXA300、PXA310、PXA320等型號，與英特爾前一代PXA27x系列相比，新組件減少的功耗多達60%，相對地，針對手持裝置的影片播放應用，可延長40%的電池使用壽命。

為提升開發靈活度，Marvell PXA 3xx系列的軟件完全兼容，并包含兩個接腳兼容組件，主要針對移動電話、數字媒體播放器、GPS導航系統和嵌入式裝置。其中PXA300(之前代號Monahans-L)主要針對大量手持裝置；PXA310 (Monahan-LV)可延長3G音視頻產品的電池壽命，并提供高分辨率VGA多媒體性能。而PXA320(Monahans P)則鎖定多功能手持裝置、高階智能電話及行動網絡瀏覽裝置。

4 Marvell PXA的新型引導策略

4.1 PXA處理器的Boot ROM

bootROM軟件預裝在處理器的內部ROM中，boot ROM是Marvell 可信啟動方案的一部分。bootROM提供對處理器實現用例的支持。當處理非可信平臺時，bootROM支持從不同的設備裝載軟件，并作為啟動過程一部分。當處理可信平臺時，bootROM看作是平臺可信的root，它完成了Marvell WTM子系統的初始化。由于bootROM是在出廠之前配置的，所以不能改變bootROM的啟動配置。正確的啟動配置一定被Marvell通過提供支持“auto-boot”處理器的架構來預定好的。

處理器擁有48kb的內部ROM，分配給bootROM，一旦處理器接通電源，跳到復位向量，bootROM通過硬件機制，映射到不同的地址空間：

0x0000_0000---0x0000_BFFF

0x5E00_0000---0x5E00_BFFF

物理ROM映射到0x5E00_0000---0x5E00_BFFF地址空間。而0x0000_0000---0x0000_BFFF是虛擬內存，通過硬件實現映射，該映射為處理器內核查找向量表，復位中斷后，bootROM是被處理器執行的第一段代碼。當映射到0x0000_0000---0x0000_BFFF的boot ROM運行時，映射到該區域的外部flash是不能被訪問的，在向任何image轉移控制權之前，bootROM將0x0000_0000---0x0000_BFFF地址重映射到外部flash。一旦該地址重映射到外部flash，更高層的軟件必須調整向量表，設置向量表在一個合適的地址。

4.2 基于可信平臺的Auto-boot

該系統實現了自動啟動(Auto-boot)，Auto-boot是一個過程，通過這個過程BootROM可以在所有合法的啟動設備中尋找一個合法的頭文件(無論TIM或NTIM)，一旦頭文件被找到了，就會被運用到系統的啟動。BootROM不能搜索多個頭文件。第一個找到的合法頭文件就用來啟動系統。如果找不到合法的TIM或NTIM，BootROM等待通過USB或UART端口的下載操作。這個操作將要從主機通過USB或UART端口（事先在主機已安裝了相關端口驅動）下載一個image到平臺上。該下載操作將要使用PC端工具WTPTP(Wireless Trusted Platform Tool Packet)工具。

TIM是一個二進制image，這個映像本身持有一個需要被下載的列表，這個列表包括該映像本身。如果用戶沒有提供所有的必需的images，下載不會進行。該工具處理所有Image ID的映像文件，并將這些ID與提供的image的前4個字節相匹配。表中的第一個Image ID是為該表本身提供的ID。一旦這個需求被滿足，下載就可以進行。作為下載協議需求的一部分，第一個要下載的文件通常是TIM。一旦TIM被成功下載，在主機的促使下，目標板將要處理TIM中的image表并開始請求另一個images。這個過程將要延續到列表中所有的image都被成功的下載，如圖2所示：

圖2 映像文件的數據結構

4.3 基于PXA處理器的可信引導方案

目標板整個啟動引導的過程基于可信啟動的方案，該方案建立在可信鏈的原則上，按照該可信鏈，BootROM僅負責將控制權安全的轉交給下一層軟件層，也就是OBM（OEM Boot Module）。BootROM先用平臺公共的驗證碼來檢驗image的完整性。之后是OBM負責建立一個可信模塊用來對所有OEM（這里的OEM就是指平臺開發商）提供的二進制文件（操作系統，應用程序，數據等等）進行安全驗證，另外OBM還提供平臺預備和下載操作?？尚牌脚_啟動的具體過程如圖3所示：

該層次方案用TIM實現，TIM持有一些或所有裝載到引導flash設備的images的安全信息。TIM提供了靈活的機制用來可信的引導操作。軟件的每一層，從BootROM開始都會用到TIM中的一些信息來驗證一個或多個images。該實現定義了TIM包含了多少個要驗證的images，和軟件的哪一層執行驗證。這樣一定可以識別系統上的無權限修改，和組織無權限軟件在系統上的運行。

圖3 可信平臺的引導過程

5 結束語

基于PXA處理器的引導系統，與普通的嵌入式微處理器的引導系統有著明顯的區別。

引入了可信平臺的引導機制，加入TIM元素，增強了引導系統的安全性。另外，在此引導系統的環境下，bootloader的更新步驟得以大大簡化，方便了開發商對嵌入式系統的維護。

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