自己动手编写嵌入式BootLoader.docx

自己动手编写嵌入式BootLoader之（1） （转载）
第一部分：基本功能流程
CPU上电后会从IO空间的某地址取第一条指令。但此时：PLL没有启动，CPU工作频率为外部输入晶振频率，非常低；CPU工作模式、中断设置等不确定；存储空间的各个BANK（包括内存）都没有驱动，内存不能使用。在这种情况下必须在第一条指令处做一些初始化的工作，这段初始化程序与操作系统独立分开，称之为bootloader。
实际上，很少有必要自己写一个BootLoader，因为U-Boot已经强大到能够满足各种需要。但是强大必然复杂，一个初学者想要分析U-Boot的源代码，还是有些难度的。出于学习目的，笔者写了这个最简单的启动加载器，它只包含最基本的功能，却囊括了一个嵌入式BootLaoder应该有的核心和精华。把这个启动加载器命名为s-Boot（simple Bootloader）。
使用的实验环境为OK2440开发板，板上处理器为S3C2440A，有64M内存，Nand存储器为K9F1208，64M。网口芯片为CS8900A。要实现的功能是：从串口下载Linux内核映像到RAM；从网口下载Linux内核映像到RAM；从RAM启动内核挂载NFS根文件系统。
1．第一阶段的汇编代码：Start.S
一个嵌入式BootLoader最初始部分的代码几乎必须是用汇编语言写成的，因为开发板刚上电后没有准备好C程序运行环境，比如堆栈指针SP没有指到正确的位置。汇编代码应该完成最原始的硬件设备初始化，并准备好C运行环境，这样后面的功能就可以应C语言来写了。
对S-Boot来说，上电后的起始运行代码是start/start.S.
.text
.golbal_start
_start:
b Reset @ 0x00: 发生复位异常时从地址零处开始运行
b HandleUndef @ 0x04：未定义指令终止模式的向量地址
b HandleSWI @ 0x03：管理模式的向量地址，通过SWI指令进入此模式
b HandlePrefetchAbort @ 0x0c：指令预取终止导致的异常的向量地址
b HandleDataAbort @ 0x10：数据访问终止导致的异常向量地址
b HandleNotUsed @ 0x14：保留
b HandleIRQ @ 0x18：中断模式的向量地址
b HandleFRQ @ 0x1C：快中断模式的向量地址
这里，汇编指示符.txt表明以下内容属于代码段，.global_start指明_start是全局可访问的符号（Give the symbol external linkage）。按照ARM920T的规定，从地址0x00到0x1C放置一场向量表，向量表每个条目占四个字节，正好可以放置一条跳转指令，跳转到相应异常的服务程序中去。在S-Boot中没有使用中断，所以除Reset异常外，其它异常的服务程序都可简单地写个死循环。Reset异常是系统上电后自动触发的，所以我们的代码都写在Reset的服务程序里面。
实际上，异常向量表不一定非要位于地址0X00处，CP15协处理器的C1寄存器的第13位用来控制异常向量表的起始地址。该位为0时，异常向量表位于低地址0X00处；该位为1时，异常向量表位于高地址0xFFFF0000处。我们没有必要改变这个位的值，使用默认的低地址就行了。
Reset:
Mrs r0,cpsr @set cpu to SVC32 mode
Bic r0, r0, #0x1F
Orr r0, r0, #0xD3
Msr cpsr, r0 @cpsr = 11x10011, IRQ/FIQ disabled
代码最初始的任务是设置CPU工作在SVC32模式，关闭所有中断，禁用看门狗。实际上，即使不设置工作模式，CPU在复位之后将自动工作在管理模式。在整个S-Boot运行期间，我们没有使用中断，也没有改变CPU工作模式，它将一直工作在SVC32模式。
MMU、ICache、DCache的打开和关闭都是由CP15协处理器的c1寄存器控制的。实际上在复位之后这三者都是自动关闭的，所以省略了关闭它们的代码。

S3C2440A的PSR寄存器（Program Status Reguster）中每个Bit位的含义如图1所示。Bit4~Bit0为模式位，用来设置CPU工作模式，现在只要知道 M[4:0] = 10011 表示SVC32模式就行了。Bit5为状态位，T=0表示工作在ARM状态，T=1表示工作在Thumb状态，默认为0，不需要改变。Bit6为快速中断禁止位，F=1为禁止快速中断，F=0为使能快速中断。Bit7为中断禁止位，I=1为禁止中断，F=0为使能中断。其它Bit位暂时可以不必理会。
mrs 和msr是在PSR寄存器和其它寄存器间传递数据的指令。如：mrs r0,cpsr 把cpsr的值传送到r0中， msr cpsr,r0把r0的值传送到cpsr中。bic是位清零（Bit Clear）指令，bic r0,r0,#0x1F意思是把r0的Bit[4:0]位清零（由0x1F指示），然后把结果写入r0中。 orr是按位求或指令，orr r0,r0,#0xD3 表示把r0的 Bit7,Bit6,Bit4,Bit1,Bit0 置为1，其它位保持不变。
执行完上述操作后，cpsr中的 I=1, F=1, T保持不变（默认为0），M[4:0]=10011，意思是禁止IRQ，禁止FIQ，工作在ARM状态，工作在SVC32模式。
ldr r0, =0x53000000
mov r1, #0x0
str r1, [r0] @disable watch dog
禁用看门狗更简单，因为WTCON寄存器的地址为0x53000000，直接向该寄存器写0即可。
到目前为止，CPU工作在外接晶振12MHz频率之下。使用以下代码设置PLL，提升工作频率。
ldr r0, =0x4C000014 @CLKDIVN register

mov r1, #0x05 @FCLK:HCLK:PCLK = 1:4:8
str r1, [r0]

mrc p15,0,r0,c1,c0,0 @if HDIVN Not 0, must asynchronous bus mode
orr r0,r0,#0xC0000000 @see S3C2440A manual P7-9
mcr p15,0,r0,c1,c0,0

ldr r0, =0x4C000004 @MPLLCON register
ldr r1, =0x0005C011 @((92<<12)|(1<<4)|(1))
str r1, [r0] @FCLK is 400 MHz !
最后的结果是，FCLK=400MHz，HCLK=100MHz，PCLK=50MHz。
@ SDRAM Init
mov r1, #0x48000000 @MEM_CTL_BASE
adrl r2, mem_cfg_val
add r3, r1, #521:
ldr r4, [r2], #4 @ 读取设置值，并让r2加4
str r4 [r1], #4 @ 将此值写入寄存器，并让r1加4
cmp r1, r3 @ 判断是否设置完所有13个寄存器
bne 1b @ 若没有写成，继续
设置存储控制器。
ldr sp, =0x32FFF000 @设置堆栈
bl nand_init @初始化NAND Flash
@nand_read_ll函数需要3个参数：
ldr r0, =0x33000000 @1. 目标地址=0x30000000，这是SDRAM的起始地址
mov r1, #0 @2. 源地址 =0，S-Boot代码都存在NAND地址0开始处
mov r2, #102400 @3. 复制长度=102400(bytes)
bl nand_read @调用C函数nand_read

ldr lr, =halt_loop @设置返回地址
ldr pc, =main @b指令和bl指令只能前后跳转32M的范围，故使用向pc赋值的方法进行跳转
halt_loop:
b halt_loop
这里把所有的代码从Nand拷贝到RAM中，然后跳转到main函数去执行。此后程序便在RAM中运行了。但是到目前为止，前面的程序都是在SteppingStone里运行的。所谓SteppingStone，是指在S3C2440A的内部的4KB的RAM缓存，它总是映射到地址0x00处。硬件加电后会自动将Nand Flash中的前4KB的数据拷贝到Stepping Stone中，然后从地址0x00处开始运行。
如果代码足够小（小于4KB）的话，那只在SteppingStone中运行，加载Linux内核到内存即可。但通常代码肯定会大于4KB。所以Bootloader一般分为两部分，Stage1的代码在SteppingStone中运行，它会把Stage2的代码拷贝到RAM中，并跳转到RAM中执行；Stage2的代码在RAM中执行，它可以完成加载内核及其它任何复杂的功能。因为Stage2的起始位置不好确定，为了方便，我们把所有的代码都拷贝到RAM中了。
C 函数nand_read有三个参数，第一个参数为目的地起始地址，第二个参数为源起始地址，第三个参数为要复制的数据长度，以字节为单位。根据ATPCS函数调用规则，三个参数分别用寄存器r0，r1，r2来传递。我们在内存的0x33000000处存放Bootloader，复制长度根据编译生成的S- Boot.bin映像文件大小，向上取512字节的整数倍。
这里先来规划一下内存空间的分配。RAM的地址范围是从0x30000000到0x34000000共64MByte。把S-Boot和Kernel放在高地址处，S-Boot从0x33000000开始，预留8MByte的空间，内核从0x33800000开始，可供使用的空间也是8MByte。因栈空间是向下生长的，我们在S-Boot下面预留4096Byte的空闲区域，然后向下为栈空间，故栈指针SP初始化为0x32FFF000。其实留不留空闲区域是无所谓的，这里只是为了把二者更明显地区分开。我们只设置SVC模式下的SP，不使用CPU的其它工作模式，所以也没必要设置其它模式下的栈指针。另外，程序中不使用动态内存分配，故而也不必分配堆空间。

2. nand读操作
在编译连接时，我们把上述 start.S 代码放在生成的二进制映像文件的最开始位置，因而也被烧写到 Nand Flash的最起始位置，因而会被自动拷贝到 SteppingStone 里运行。start.S 要完成的任务之一，是把S-Boot的所有代码从Nand Flash拷贝到内存中，这里需要对NAND的读操作，因此对NAND的初始化和读操作要在第一阶段写好。
以开发板上使用的K9F1208为例，每个页（page）为512Byte数据和16Byte校验，每个块（Block）为32个页，即16KByte数据和512Byte校验。