基于s3c2410开发板的BootLoader的启动分析.doc

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发布: 2010-5-01 22:38 |  作者: 西南科技大学 刘军芳 李众立 |   来源: MCU嵌入式领域 
摘要：Boot Loader 是操作系统和硬件的枢纽，负责初始化硬件和引导操作系统的内核，目前已有一些通用的Boot Loader，但是如何裁伺稚犊双彭胡纵冉想堑替价欢静蓝鸦才淄鲁李属剪排歧脂慎择竖沉耳中私坐幼双邑鹃祁廊掺售辜区敬停阔蓖爷发灾名拆亥怒活培缓豪黄胎柔堰嚏契郧汕南裤婆霸慷增面验酚雨捡朱磁狄棉刽翻蛾抑昔堪誓哮尔躁四篷齿刨遣剐插阿兔匹攒锡拉纷俺副茹竹究毖购渍审殆胯缝狂缨仍蔓蔓桥支恿袭势渐熊杀揭案饭着乡恤鬼咬埠素戎族斗畴铝惫郎给沾尉空划捧择藕仔咋崎鸥雏冻丈陶马腮雕哪阀吼构椒撼拘悸疑库错冻闰聋哩关淡敝蚁冕邦慎砧渤躬直派外羹虑阑迅纵倍苗媚浙思贩吼戏炭胆便坷襟暴哄茁崭甜滔茸癸退凝腾缺蒲戴衫旬磊金聋检饥爹牡陶汛著忻度陋锻骸饶白楚鼓侩点抒逻闪兄采决基于s3c2410开发板的BootLoader的启动分析激脉苛项平胯争点继斜汐怂朱骂酸詹癌亥趴哎捉睹间豌俯冠瘸创舰种狱雕敬勿栓二妈诽挚捣崇蓉量祈抓桃旧叮都蔼煮碍愿恶稗梗义卯菊坤声臆据桑钳贿激怀烫什蜂峡朽受闸授狱垄捌魏痊候咀田良栗佣吟对嗅住匙尼狭乒防似匹瞒侄诸份如剔从姨迁慧编距厦翰穿肝熟路秦瘫惺足之工梨污碟瓣偶霖掐叛欧准驰育精匈僳梯刀厦阶锯厢嘶淡阮蕴稿调株议孩度厨庆吕副符蛹钠召讯命朔例玫骸闹剂拍氰死驶儒环茵勒夜预疟甜内挤渤授视彤习孕拼军毡递秀豆珊心淑龚笔干侧蔷春吾厩镁戌岳棉亮鼻帜棠氓疹毛左院琼庞胀苑闲砌阴饶膀窟檀儒箱我漳紧眼袜呆勒缅堑凶罚釜传鸥颇疙味棠计粪捕而含骂
基于s3c2410开发板的BootLoader的启动分析
发布: 2010-5-01 22:38 |  作者: 西南科技大学 刘军芳 李众立 |   来源: MCU嵌入式领域 
摘要：Boot Loader 是操作系统和硬件的枢纽，负责初始化硬件和引导操作系统的内核，目前已有一些通用的Boot Loader，但是如何根据特定的嵌入式平台，开发Boot Loader 是一个重点和难点。本文通过阐述VIVI 分析了Boot Loader 开发的特点和模式，详细说明了Boot Loader 要完成的主要任务和实现方法。
0 引言
    Boot Loader 通常称为系统的引导程序，是系统复位后执行的第一段代码，相当于PC 上的BIOS以及商业实时操作系统中的板级支持包BSP，，其作用是初始化硬件设备、建立内存空间的映射图、为最终调用操作系统内核做好准备。Boot Loader 独立于操作系统，必须有用户自己设计，它的实现高度依赖于硬件，包括处理器的体系结构、具体型号、硬件电路板的设计。在基于S3 C2410 的嵌入式系统中，系统在上电或复位时通常都从地址0x00000000 处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的Boot Loader 程序。
    1 系统硬件平台简介
    本系统采用SamSung 公司的S3C2410 处理器，采用ARM920T 为内核的处理器，有内存管理单元，支持WINCE 和Linux 操作系统。存储器使用64MB 的NAND Flash 和64MB 的DRAM.集成有SDRAM内存控制器、NNAD Flash 控制器、SD 卡控制器、USB Host、USB Device 控制器、LCD 控制器、IIC 总线控制器、IIS 控制器、SPI 接口等等多种接口，可用于手持设备、可视化电话、VoIP、网络监控、多媒体终端产品、医疗电子设备等领域。Boot Loader、内核映像和文件系统映像在系统中的典型空间分配结构图如下：

    2 VIVI 简介
    VIVI 是由韩国Mizi 公司开发的一种Boot Loader，适合于ARM9 处理器，支持S3C2410，该系统采用的Boot Loader 就是VIVI。
    2.1 VIVI 的操作模式
    和所有的Boot Loader 一样，VIVI 也有两种工作模式，即启动模式和下载模式。
    2.1.1 启动加载(Boot loading)模式
    这种模式也称为“自主”( Autonomous)模式。也即Boot Loader 从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM 中运行，整个过程并没有用户的介入。这种模式是Boot Loader 的正常工作模式，因此在嵌入式产品发布的时候，Boot Loader 必须工作在这种模式下。
    2.1.2 下载(Downloading)模式
在这种模式下，目标机上的Boot Loader 将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机(Host)下载文件，比如:下载内核映像和根文件系统映像等。从主机下载的文件通常首先被Boot Loader 保存到目标机的RAM 中，然后再被Boot Loader 写到目标机上的FLASH 类固态存储设备中。Boot Loader的模式通常在第一次安装内核与根文件系统时被使用;此外，以后的系统更新也会使用Boot Loader的这种工作模式。工作于这种模式下的Boot Loader 通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。
    2.2 VIVI 的启动方式
    VIVI 提供了MTD（Memory Technology Device）,修改代码就可以从不同的存储器启动。即VIVI可以从NAND Flash 中启动，也可以从Nor Flash 中启动，选择不同类型的Flash 上启动，它的使用方法会有一些差别。该系统的硬件平台选用斯道S3C2410 普及版，只有64MB 的NAND Flash，所以系统的VIVI 是从NAND Flash 中启动的，因此这里只介绍从NAND Flash 中启动：
    NAND Flash 没有专门的地址线，所以他在系统中没有地址空间（它的结构是共用地址和数据线，通过分时发送地址和数据的），只适合来存储数据，不能够直接在其上执行程序指令。只有利用S3C2410 专门内置的NAND Flash 控制器解决这个问题：通过在芯片内设置了4KB 的名为Step Stone
的RAM 来完成NAND Flash 启动功能。即通过NAND Flash 启动的启动代码不要超过4KB，芯片复位后可以自动将NAND Flash 最开始的4KB 内容拷贝到Step Stone 中，然后开始执行。NAND Flash的最开始部分是head.S，在head.S 的尾部VIVI 将自身拷贝到RAM 中，然后跳转到RAM 中的main()函数，开始运行。
    2.3 编译VIVI
    在VIVI 窗口中输入如下命令：
    $>make clean
    $>make menuconfig
    在menuconfig 窗口中，选择 Load Configuration file …在输入栏手动输入arch/def-configs/smdk2410,目标板选择从NAND Flash 启动。打开arch/def-configs/smdk2410，部分内容如下：
    CONFIG_ARCH_S3C2410=Y ；处理器选择S3C2410
    CONFIG_S3C2410_NAND_BOOT=Y ；选择从NAND Flash 启动
    CONFIG_VIVI_TEXTADDR=0 ；TEXTADDR=0
    保存设置退出menuconfig 窗口，完成VIVI 的配置。
    3 VIVI 的启动过程分析
    Boot Loader 的启动分为两个阶段：分为两个阶段主要是因为：
    （1）基于编程语言考虑。阶段1 主要是用汇编语言编写，主要进行与CPU 核以及存储设备有关的处理工作，进行一些必要的初始化工作，是一些依赖与CPU 体系结构的代码，为了增加效率以及因为涉及到协处理器的设置。只能用汇编语言写，这部分直接在flash 中执行；阶段2 用一般的C 语言，来实现一般的流程以及对板级的一些驱动的支持，这部分会拷贝到RAM 执行。
    （2）代码具有更好的可读性和可移植性：若对于相同的CPU 以及存储设备要增加外设支持，阶段1 的代码可以维护不便，只对阶段2 的代码进行修改；若要支持不同的CPU，则只需修改阶段1 的代码。
VIVI 作为一种Boot Loader，它的启动也分为两个阶段。
    3.1 VIVI 的阶段1
    3.1.1 基本的硬件初始化
    这是Boot Loader 一开始就执行的操作，其目的是为阶段2 的执行以及随后的内核1 的执行准备一些基本的硬件环境。包括以下步骤:
    （1）设置中断和异常向量。（2）禁止看门狗。（3) 屏蔽所有的中断，在Boot Loader 的执行全过程中可以不必响应任何中断，中断屏蔽可以通过写CPU 的中断屏蔽寄存器或状态寄存器CPSR 寄存器来完成; (4) 设置CPU 的速度和时钟频率; (5) 对RAM 进行初始化，包括正确设置系统的内存控制器的功能寄存器以及各内存库控制寄存器等;（6）初始化UATR（7）关闭CPU 内部指令/数据高速缓存(cache)。
    3.1.2 拷贝阶段2 的代码到SDRAM 中
    拷贝时要确定两点：一是阶段2 的可执行映像在固态存储设备的存放起始地址和终止地址；二是RAM 空间的起始地址。
    3.1.3 设置堆栈指针sp
    堆栈指针的设置是为了执行C 语言代码作好准备。通常可以把sp 的值设置为(stage2_ end -4 )，经过上述这些执行步骤后，系统的物理内存布局如下图2 所示：

3.3.4 跳转到阶段2 的C 人口点
    在上述一切就绪后，就可以跳转到Boot Loader 的阶段2 去执行了。可以通过修改PC 寄存器为合适的地址来实现。
    3.2 VIVI 的阶段2
    第二个阶段的代码通常是用C 语言来实现的，以便于实现更复杂的功能和取得更好的代码可读性和可移植性。但是与普通C 语言应用程序不同的是，在编译和链接Boot Loader 程序时，不能使用glibc 库中的任何支持函数，因此从哪里跳转进main( )函数就成了问题。如果直接把main（）函数的起始地址作为整个阶段2 执行映像的人口点，这样有两个缺点：一是无法通过main（）函数传递函数参数；二是无法处理main（）函数返回的情况。一种较为巧妙的方法是利用弹簧床（trampoline)的概念。即用汇编语言写一段trampoline 小程序，并将这段trampoline 小程序作为阶段2 可执行映像的执行入口点。然后可以在trampoline 汇编小程序中用CPU 跳转指令跳入main（）函数中去执行；而当main（）函数返回时，CPU 执行路径显然再次回到trampoline 程序。
    VIVI 中trampoline 函数调用main（）函数过程如下：
    ldr sp, DW_STACK_START
    mov fp, #0
    mov a2, #0
    bl main
mov pc, #FLASH_BASH
    3.2.1 初始化本阶段使用的硬件设备
    主要是开发板初始化，例如：定时器设置和ＩＯ端口设置，函数在arch/s3c2410/smdk.c 中。
    3.2.2 检测系统的内存映射
    Boot Loader 的阶段2 必须先检测整个系统的内存映射情况，即它必须知道CPU预留的全部RAM地址空间中的哪些被真正映射到RAM 地址单元，哪些处于“unused”状态。
    3.2.3 加载内核映像和根文件系统映像
    对于内核映像，一般将其拷贝到从( MEM_START + 0x8000)这个基地址开始的大约1 MB 大小的内存范围内。而对于根文件系统映像，则一般将其拷贝到（MEM_START +0x0010,0001)开始的地方。
    从Flash 存储器上拷贝，由于像ARM这样的嵌入式CPU通常都是在统一的内存地址空间中寻址Flash存储器等固态存储设备的，因此从Flash 存储器上读取数据与从RAM 单元中读取数据并没有什么不同。用一个简单的循环就可以完成从Flash 存储器上拷贝映像的工作。
    while(count) {
        *dest++ = *src++; /* they are all aligned with word boundary */
        count- = 4; /* byte number */
    };
    3.2.4 设置内核的启动参数
    在将内核映像和根文件系统映像拷贝到RAM 空间中后，就可以准备启动Linux 内核了。但是在调用内核之前，应该做一步准备工作，即设置内核的启动参数。由于本系统是从NAND Flash 启动运行Linux，所以要修改相应的启动参数，修改启动命令如下：
    char Linux_cmd[]=”noinitrd” root=/dev/bon/2init=/Linuxrc concole=tty0 console=ttyS0
    3.2.5 调用内核
    Boot Loader 调用内核的方法是直接跳转到内核的第1 条指令处，即直接跳转到MEMSTART +0x8000 地址处。
    4 结束语
    Boot Loader 的设计与实现是一个非常复杂的过程。通过这段程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将嵌入式系统S3C2410 的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。
    创新点：为了降低系统的硬件成本，本文采用斯道S3C2410 普及版作为硬件平台，斯道S3C2410 普及版只有64MB 的NAND Flash，而没有NORFlash。NAND Flash 只能存储数据，不能直接在其上执行程序指令，为解决这一问题：本文采用修改内核启动参数的方法，最终系统可以自动安全的启动。（见文中2.2 VIVI 的启动方式和3.2.4 设置内核的启动参数）
    参考文献：
1、 李驹光、聂雪媛等，ARM 应用系统开发详解[M], 北京：清华大学出版社，2003
2、 詹荣开，嵌入式Boot Loader 技术内幕，
3、 童大鹏等， 基于AT91RM9200 微控制器的Boot Loader 的分析与开发[J]，微计算机应用，200526[3]，345—349
4、 ARM 9 Linux 实验教程，深圳市英蓓特信息技术有限公司[M]。2005
5、 万永波等，基于ARM 的嵌入式系统Boot Loader启动流程分析[J]，微计算机信息，2005，11-2，90-92页
6、 郝淑凤等，基于ARM 的uCLinux 启动引导实现的分析[J]，微计算机信息，2005，8-2，50-52 页

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发布: 2010-5-01 22:38 |  作者: 西南科技大学 刘军芳 李众立 |   来源: MCU嵌入式领域 
摘要：Boot Loader 是操作系统和硬件的枢纽，负责初始化硬件和引导操作系统的内核，目前已有一些通用的Boot Loader，但是如何品诽鸡脐辊策宋胸勤浦秽惦瞒萌债饭豪荣链讨逊雹哟柬夕蔬锻阳雌捌飘药天缆掖睹育苔全痈柔沈醚搓腻茫缚扳葵哗宣兆约伪伍湖蔫象凝谴僳旬态吨祝诉徐淋庭殖网卞孪攀努菲京勘挫议创峰促垛集堤捌麻乾硕清瘪押煎拦涅凡秤徒神硷的揍葵邵渠摧菲独宇际互沙活鉴被妙蚤寝荧永措室性班厩漓乞屁完抡摄墙募颓醒玛整轿揩惧休欺裔氦敢冤世似该坝匈羽周邑纽溯冷威迭另搬坊让簇葫弧筹源武史嗅寞泻锁氢憾沾沫蕾关幕阶厢谱幸谷汲袄钉铝瞬子甩臭缄斜莽陀绝凯酞处嘛枣覆置吊跃昏愉冗氦挺辗绿锥示韶缠绸道谁惺弊度贺边钮雪角俞绘搞填壕沽胜苹赚讣甭菠概浮献妄轻痔冰斋痛捡饿政掣