基于S3C2410開發(fā)板的Bootloader運行原理與實現(xiàn)

在專用的嵌入式開發(fā)板上運行操作系統(tǒng)（如Linux）已經(jīng)變得越來越流行，而Bootloader就是為引導(dǎo)操作系統(tǒng)內(nèi)核運行的一段代碼。通過它可以初始化硬件設(shè)備、建立或檢測內(nèi)存空間的映射，其功能有點類似于PC機(jī)的BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)）程序。它的主要作用是為運行操作系統(tǒng)提供基本的運行環(huán)境，并操作系統(tǒng)的內(nèi)核裝載到存儲器（RAM）中的合適位置上去運行。本文將以Samsung公司的S3C2410開發(fā)板為開發(fā)平臺，具體闡述了Bootloader的運行原理與實現(xiàn)分析。

Bootloader程序與CPU芯片的內(nèi)核結(jié)構(gòu)、具體芯片和使用的操作系統(tǒng)等因素有著密切關(guān)系，因此要為所有類型的嵌入式開發(fā)板建立一個通用的Bootloader幾乎是不可能的。盡管如此，本文將盡量對Bootloader歸納出一些通用的概念，以幫助特定用戶設(shè)計實現(xiàn)自己的Bootloader。

1.系統(tǒng)組成

典型的ARM嵌入式系統(tǒng)硬件平臺一般包括一個以ARM為內(nèi)核的處理器、存儲器和必要的外部接口與設(shè)備。在本系統(tǒng)中，采用內(nèi)嵌ARM920T的Samsung公司S3C2410處理器，工作頻率200MHz，存儲器使用2MB的NorFlash和64MB的SDRAM，外部接口除了用于下載和通信的串口，還配備有以太網(wǎng)接口、USB接口。

軟件平臺由以下部分組成：Bootloader、嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核（Kernel）、文件系統(tǒng)（Filesystem）。其中，嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核是嵌入式系統(tǒng)加電運行后的管理平臺，負(fù)責(zé)實時性任務(wù)和多任務(wù)的管理。文件系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)軟件平臺占用存儲量最大的一部分，也是與用戶開發(fā)最相關(guān)的一部分。它存儲了系統(tǒng)配置文件、系統(tǒng)程序、用戶應(yīng)用程序和必需的驅(qū)動程序。

2、Bootloader運行流程

系統(tǒng)加電或復(fù)位后，所有的CPU通常都從某個由CPU制造商預(yù)先安排的地址上取指令。比如SansungS3C2410CPU，在系統(tǒng)加電或復(fù)位時就會從地址0x00000000處讀取它的第一條指令?；贑PU構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)則通常都會有某種類型的固態(tài)存儲設(shè)備（如本例中的FLASH）被映射到這個預(yù)先安排的地址上，而Bootloader程序一般正是被燒錄或者下載到固態(tài)存儲設(shè)備的0x00000000地址處，因此在系統(tǒng)在加電或復(fù)位后，CPU將會首先執(zhí)行Bootloader程序。

由于Bootloader的實現(xiàn)依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)，因此Bootloader功能的實現(xiàn)基本可分為Stage1和Stage2兩大部分，分別運行于系統(tǒng)的ROM和RAM中。依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼，比如設(shè)備初始化代碼等，通常都放在Stage1中，基本都用匯編語言來實現(xiàn)，以達(dá)到簡短精練的目的。而Stage2則通常用C語言來實現(xiàn)，這樣可以實現(xiàn)更復(fù)雜的功能，而且代碼會具有更好的可讀性和可移植性。

3.1其中，Bootloader的Stage1通常依次執(zhí)行以下主要步驟：

3.1.1硬件設(shè)備初始化。

其目的是為執(zhí)行Stage2及隨后的操作系統(tǒng)Kernel準(zhǔn)備好一些基本的硬件環(huán)境。

（a）建立中斷向量表，當(dāng)程序出現(xiàn)異常后可跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)子程序執(zhí)行。如

（b）屏蔽所有的中斷。為中斷提供服務(wù)通常是操作系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動程序的責(zé)任，因此在Bootloader的執(zhí)行全過程中可以不必響應(yīng)任何中斷?？梢酝ㄟ^寫S3C2410的寄存器INTMSK、INTSUBMSK來完成；

（c）設(shè)置CPU的速度和時鐘頻率?？梢酝ㄟ^寫寄存器LOCKTIME、MPLLCON、UPLLCON來實現(xiàn)；

（d）RAM初始化。包括正確地設(shè)置系統(tǒng)的內(nèi)存控制器的功能寄存器BWSCON以及各內(nèi)存控制寄存器等。

（e）初始化LED。典型地，通過GPIO來驅(qū)動LED，其目的是表明系統(tǒng)的狀態(tài)是正常還是出現(xiàn)錯誤。

3.1.2為加載Stage2準(zhǔn)備RAM空間，拷貝Stage2到RAM中。

為了獲得更快的執(zhí)行速度，通常把Stage2加載到RAM空間中來執(zhí)行，因此必須為加載Bootloader的Stage2準(zhǔn)備好一段可用的RAM空間范圍。具體的地址范圍可以任意安排，比如我們習(xí)慣將Stage2可執(zhí)行映像安排到RAM地址最頂部1MB開始的空間內(nèi)執(zhí)行?？截悤r要確定兩點：Stage2的可執(zhí)行映像存放在Flash中的起始地址和終止地址；以及RAM空間的起始地址。

3.1.3設(shè)置堆棧指針sp。

堆棧指針的設(shè)置是為了執(zhí)行C語言代碼作好準(zhǔn)備，通常我們可以把sp（Userstack）設(shè)置在上面所安排的那個1MBRAM空間的最頂端（堆棧向下生長）。此外，在設(shè)置堆棧指針sp之前，也可以關(guān)閉LED燈，以提示我們準(zhǔn)備跳轉(zhuǎn)到Stage2。

3.1.4跳轉(zhuǎn)到Stage2的C入口點。

在上述一切都就緒后，就可以跳轉(zhuǎn)到Bootloader的Stage2去執(zhí)行了。比如通過修改PC寄存器為合適的地址來實現(xiàn)。

3.2Bootloader的Stage2通常依次執(zhí)行以下主要步驟：

3.2.1進(jìn)入Stage2的入口程序

Stage2的代碼通常用C語言來實現(xiàn)，但是與普通C語言應(yīng)用程序不同的是，在編譯和鏈接bootloader這樣的程序時，我們無法使用glibc庫中的任何支持函數(shù)。這就需要我們利用匯編語言寫一段trampoline（彈簧床）小程序，并將這段trampoline小程序來作為Stage2可執(zhí)行映象的執(zhí)行入口點。然后我們可以在trampoline小程序中用CPU跳轉(zhuǎn)指令跳入main（）函數(shù)中去執(zhí)行；而當(dāng)main（）函數(shù)返回時，CPU執(zhí)行路徑顯然再次回到了trampoline程序。具體程序如下：

.text

.globl_trampoline

_trampoline：

blmain

b_trampoline

3.2.2初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備

這通常包括：初始化至少一個串口，以便和終端用戶進(jìn)行I/O輸出信息；初始化計時器等。在初始化這些設(shè)備之前，也可以重新把LED燈點亮，以表明我們已經(jīng)進(jìn)入main（）函數(shù)執(zhí)行。設(shè)備初始化完成后，可以輸出一些打印信息，程序名字字符串、版本號等。

3.2.3檢測系統(tǒng)的內(nèi)存映射（Memorymap）

所謂內(nèi)存映射就是指在整個4GB物理地址空間中有哪些地址范圍被分配用來尋址系統(tǒng)的RAM單元。CPU通常預(yù)留出一段足夠大的地址空間給系統(tǒng)RAM，但是在搭建具體的嵌入式系統(tǒng)時不一定會實現(xiàn)CPU預(yù)留的全部RAM地址空間。而是往往只把CPU預(yù)留的全部RAM地址空間中的一部分映射到RAM單元上，而讓剩下的那部分預(yù)留RAM地址空間處于未使用狀態(tài)。如S3C2410使用的RAM空間僅為0x30000000－0x33ffffff。

3.2.4加載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像并從Flash上拷貝

規(guī)劃內(nèi)存占用的布局。這里包括兩個方面：（1）內(nèi)核映像所占用的內(nèi)存范圍；（2）根文件系統(tǒng)所占用的內(nèi)存范圍。對于內(nèi)核映像，一般將其拷貝到從（MEM_START＋0x8000）這個基地址開始的大約1MB大小的內(nèi)存范圍內(nèi)（嵌入式Linux的內(nèi)核一般都不超過1MB）。從MEM_START到MEM_START＋0x8000這段32KB大小的內(nèi)存之所以被空出，是因為Linux內(nèi)核要在這段內(nèi)存中放置一些全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如：啟動參數(shù)和內(nèi)核頁表等信息。而對于根文件系統(tǒng)映像，則一般將其拷貝到MEM_START+0x0010，0000開始的地方。若采用Ramdisk作為根文件系統(tǒng)映像，則其解壓后的大小一般為1MB。

由于像ARM這樣的嵌入式CPU通常都是在統(tǒng)一的內(nèi)存地址空間中尋址Flash等固態(tài)存儲設(shè)備，因此從Flash上讀取數(shù)據(jù)與從RAM單元中讀取數(shù)據(jù)并沒有什么不同。用一個簡單的循環(huán)就可以完成從Flash設(shè)備上拷貝映像的工作。如：

count＝kernelsize

while（count》0）{

*dest++=*src++;/*theyareallalignedwithwordboundary*/

count-=4;/*bytenumber*/

};

3.2.5設(shè)置內(nèi)核的啟動參數(shù)

將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像拷貝到RAM空間后，設(shè)置Linux內(nèi)核的啟動參數(shù)，如ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等，然后就可以準(zhǔn)備啟動Linux內(nèi)核了。

3.2.6調(diào)用內(nèi)核。

Bootloader調(diào)用Linux內(nèi)核的方法是直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的第一條指令處，也即直接跳轉(zhuǎn)到MEM_START＋0x8000地址處。此時，還需要設(shè)置CPU寄存器、CPU模式、Cache和MMU。

3.結(jié)束語

Bootloader是依賴于硬件而實現(xiàn)的，每個目標(biāo)板的硬件配置都不完全一樣，因此Bootloader程序也都不會完全一樣。本文以Samsung公司的的S3C2410開發(fā)板為平臺，闡述了Bootloader運行的主要步驟和關(guān)鍵技術(shù)，為實現(xiàn)引導(dǎo)Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核運行提供合適的環(huán)境。文章后面關(guān)于Linux內(nèi)核啟動參數(shù)的具體設(shè)置及如何調(diào)用內(nèi)核是和具體操作系統(tǒng)密切關(guān)系的，未做詳細(xì)論述。此外，設(shè)計與實現(xiàn)一個優(yōu)秀的Bootloader程序是一個龐大復(fù)雜的過程，在程序中如能多利用LED和串口輸出信息會是幫助我們調(diào)試的好方法。

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