Bootloader设计基础.ppt

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1、第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 嵌入式系统设计嵌入式系统设计基于基于ARMARM微处理器微处理器S3C2410AS3C2410A第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 5.1 5.1 引言引言 在专用的嵌入式板子运行 GNU/Linux 系统已经变得越来越流行。一个嵌入式 Linux 系统从软件的角度看通常可以分为四个层次： 1. 引导加载程序引导加载程序-包括固化在固件(firmware)中的 boot 代码(可选)，和 Boot Loader

2、两大部分。 2. Linux Linux 内核内核-特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。 3. 文件系统文件系统-包括根文件系统和建立于 Flash 内存设备之上文件系统。通常用 ram disk 来作为 root fs。 4. 用户应用程序用户应用程序-特定于用户的应用程序。有时在用户应用程序和内核层之间可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。常用的嵌入式 GUI 有：WinCE、MiniGUI、Qt等。 第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 引导加载程序是系统加电后运行的第一段软件代码。回忆一下 PC 的体系结构可以知道，PC 机中的引导加载程序由

3、 BIOS(其本质就是一段固件程序)和位于硬盘 MBR 中的 OS Boot Loader（比如LILO 和 GRUB 等）一起组成。BIOS 在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘 MBR 中的 Boot Loader 读到系统的 RAM 中，然后将控制权交给 OS Boot Loader。Boot Loader 的主要运行任务就是将内核映象从硬盘上读到 RAM 中，然后跳转到内核的入口点去运行，也即开始启动操作系统。 而在嵌入式系统中，通常并没有像 BIOS 那样的固件程序（注:有的嵌入式 CPU 也会内嵌一段短小的启动程序），因此整个系统的加载启动任务就完全由 Boot Loader 来完成

4、。比如在一个基于 ARM7TDMI core 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。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 5.1.1 5.1.1 BootloaderBootloader基本概念基本概念 简单地说，Boot Loader 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统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。 通常，Boot Loade

5、r是严重地依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式世界。因此，在嵌入式世界里建立一个通用的 Boot Loader 几乎是不可能的。尽管如此，仍然可以对 Boot Loader 归纳出一些通用的概念来，以指导用户特定的 Boot Loader 设计与实现第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 1.1.Boot Loader Boot Loader 所支持的所支持的 CPU CPU 和嵌入式板和嵌入式板 每种不同的 CPU 体系结构都有不同的 Boot Loader。有些 Boot Loader 也支持多种体系结构的 CPU，比如 U-Boot 就同时支持 ARM 体

6、系结构和MIPS 体系结构。除了依赖于 CPU 的体系结构外，Boot Loader 实际上也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。这也就是说，对于两块不同的嵌入式板而言，即使它们是基于同一种 CPU 而构建的，要想让运行在一块板子上的 Boot Loader 程序也能运行在另一块板子上，通常也都需要修改 Boot Loader 的源程序。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 2. Boot Loader 2. Boot Loader 的安装媒介（的安装媒介（Installation MediumInstallation Medium） 系统加电或复位后，所有的

7、 CPU 通常都从某个由 CPU 制造商预先安排的地址上取指令。比如，基于 ARM7TDMI core 的 CPU 在复位时通常都从地址 0x00000000 取它的第一条指令。而基于 CPU 构建的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备(比如：ROM、EEPROM 或 FLASH 等)被映射到这个预先安排的地址上。因此在系统加电后，CPU 将首先执行 Boot Loader 程序。 下图1就是一个同时装有 Boot Loader、内核的启动参数、内核映像和根文件系统映像的固态存储设备的典型空间分配结构图。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 3. 3.

8、用来控制用来控制 Boot Loader Boot Loader 的设备或机制的设备或机制 主机和目标机之间一般通过串口建立连接，Boot Loader 软件在执行时通常会通过串口来进行 I/O，比如：输出打印信息到串口，从串口读取用户控制字符等。 4. Boot Loader 4. Boot Loader 的启动过程是单阶段（的启动过程是单阶段（Single StageSingle Stage）还是多阶段）还是多阶段（Multi-StageMulti-Stage） 通常多阶段的 Boot Loader 能提供更为复杂的功能，以及更好的可移植性。从固态存储设备上启动的 Boot Loader

9、大多都是 2 阶段的启动过程，也即启动过程可以分为 stage 1 和 stage 2 两部分。而至于在 stage 1 和 stage 2 具体完成哪些任务将在下面讨论。 第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 5. Boot Loader 5. Boot Loader 的操作模式的操作模式 (Operation Mode)(Operation Mode) 大多数 Boot Loader 都包含两种不同的操作模式：启动加载模式和下载模式，这种区别仅对于开发人员才有意义。但从最终用户的角度看，Boot Loader 的作用就是用来加载操作系统，而并不存在所谓的

10、启动加载模式与下载工作模式的区别。 第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 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侯，Boot Loader 显然必须工作在这种模式下。启动加载（启动加载（Boot loadingBoot loading）模式：）模式：第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 在这种模式下，目标机上的 Boot

11、 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 的这种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。 下载（下载（DownloadingDownloading）模式：）模式：第第5 5章

12、章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 6. 6. BootLoaderBootLoader 与主机之间进行文件传输所用通信设备及协议与主机之间进行文件传输所用通信设备及协议 最常见的情况就是，目标机上的 Boot Loader 通过串口与主机之间进行文件传输，传输协议通常是 xmodemymodemzmodem 协议中的一种。但是，串口传输的速度是有限的，因此通过以太网连接并借助 TFTP 协议来下载文件是个更好的选择。 此外，在论及这个话题时，主机方所用的软件也要考虑。比如，在通过以太网连接和 TFTP 协议来下载文件时，主机方必须有一个软件用来的提供 TFTP 服务

13、。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 Bootloader从第一条指令跳转后，就开始初始化各种最重要的硬件，比如CPU的工作频率、定时器、中断、看门狗、检测RAM大小和Flash等。一般，硬件初始化的这段程序是用汇编语言编写的，其后就用C语言编写。 总体上Bootloader主要完成以下工作：5.1.2 Bootloader主要完成的工作第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 初始化CPU速度；初始化内存，包括启用内存库，初始化内存配置寄存器等；初始化中断控制器，在系统启动时，关闭中断，关闭看门狗；初始化串行端口（如果在目

14、标上有的话）；启用指令/数据高速缓存；设置堆栈指针；设置参数区域并构造参数结构和标记,即引导参数；第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 执行POST（上电自检）来标识存在的设备并报告有何问题；为电源管理提供挂起/恢复支持；传输操作系统内核镜像文件到目标机。也可以将操作系统内核镜像文件事先存放在Flash中，这样就不需要Bootloader和主机传输操作系统内核镜像文件，这通常是在做成产品的情况下使用。而一般在开发过程中，为了调试内核的方便，不将操作系统内核镜像文件固化在Flash中，这就需要主机和目标机进行文件传输；跳转到内核的开始，在此又分为ROM启动和R

15、AM启动。所谓ROM启动就是用XIP技术直接在Flash中执行操作系统镜像文件；所谓RAM启动就是指把内核镜像从Flash复制到RAM中，然后再将PC指针跳转到RAM中的操作系统启动地址。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 5.1.3 Bootloader 的启动流程 由于 Boot Loader 的实现依赖于 CPU 的体系结构，因此大多数 Boot Loader 都分为 stage1 和 stage2 两大部分。依赖于 CPU 体系结构的代码，比如设备初始化代码等，通常都放在 stage1 中，而且通常都用汇编语言来实现，以达到短小精悍的目的。而 st

16、age2 则通常用C语言来实现，这样可以实现给复杂的功能（比如串口、以太网接口的支持等） ，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。 第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 Boot Loader 的 stage1 通常包括以下步骤(以执行的先后顺序)： 1. 硬件设备初始化2. 为加载 Bootloader 的 stage2 准备 RAM 空间 3. 拷贝 Bootloader的 stage2 到 RAM 空间中4. 设置好堆栈 5. 跳转到 stage2 的 C 入口点main()函数处第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础

17、 Boot Loader 的 stage2 通常包括以下步骤(以执行的先后顺序)： 1.初始化本阶段要使用到的硬件设备。 2.检测系统内存映射(memory map)。 3.将 kernel 映像和根文件系统映像从 flash 上读到 RAM 空间中。 4.为内核设置启动参数。 5.调用内核。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 Boot Loader Boot Loader 的的 stage1stage11. 1. 基本的硬件初始化基本的硬件初始化屏蔽所有的中断 为中断提供服务通常是 OS 设备驱动程序的责任，因此在 Boot Loader 的执行全过程中

18、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（比如 ARM 的 CPSR 寄存器）来完成。 设置 CPU 的速度和时钟频率 RAM 初始化包括正确地设置系统的内存控制器相关的各个功能寄存器。 初始化 LED典型地，通过 GPIO 来驱动 LED，其目的是表明系统的状态是 OK 还是 Error。如果板子上没有 LED，那么也可以通过初始化 UART 向串口打印 Boot Loader 的 Logo 字符信息来完成这一点。 关闭 CPU 内部指令数据 cache第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 2.2.为加载为加载 sta

19、ge2 stage2 准备准备 RAM RAM 空间空间 由于 stage2 通常是 C 语言执行代码，因此在考虑空间大小时，除了 stage2 可执行映象的大小外，还必须把堆栈空间也考虑进来。 空间大小最好是内存页大小(通常是4KB)的倍数。一般而言，1M 的 RAM 空间已经足够了。 具体的地址范围可以任意安排。为了后面的叙述方便，这里把所安排的 RAM 空间范围的大小记为：stage2_size(字节)，把起始地址和终止地址分别记为：stage2_start 和 stage2_end(这两个地址均以 4 字节边界对齐)。因此：stage2_endstage2_startstage2_si

20、ze 第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 3.3.拷贝拷贝 stage2 stage2 到到 RAM RAM 中中 拷贝时要确定两点：(1) stage2 的可执行映象在固态存储设备的存放起始地址和终止地址；(2) RAM 空间的起始地址。 4. 4. 设置堆栈指针设置堆栈指针 spsp 堆栈指针的设置是为了执行 C 语言代码作好准备。通常我们可以把 sp 的值设置为(stage2_end-4)，也即在 前面所安排的那个 1MB 的 RAM 空间的最顶端(堆栈向下生长)。 此外，在设置堆栈指针 sp 之前，也可以关闭 led 灯，以提示用户我们准备跳转到

21、stage2。 经过上述这些执行步骤后，系统的物理内存布局应该如下图2所示。5.5.跳转到跳转到 stage2 stage2 的的 C C 入口点入口点 在上述一切就绪后，就可以跳转到 Boot Loader 的 stage2 去执行。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 stage2 的代码通常用 C 语言来实现，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 这样的程序时，我们不能使用 glibc

22、库中的任何支持函数。这就给我们带来一个问题，那就是从那里跳转进 main() 函数呢？ 直接把 main() 函数的起始地址作为整个 stage2 执行映像的入口点或许是最直接的想法。但是这样做有两个缺点：1)无法通过main() 函数传递函数参数；2)无法处理 main() 函数返回的情况。BootLoader的的stage2第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 一种更为巧妙的方法是利用 trampoline(弹簧床)的概念。也即，用汇编语言写一段trampoline 小程序，并将这段 trampoline 小程序来作为 stage2 可执行映象的执行入口

23、点。然后我们可以在 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我们的 trampoline 程序。简而言之，这种方法的思想就是：用这段 trampoline 小程序来作为 main() 函数的外部包裹(external wrapper)。 第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 .text.globl_trampoline_trampoline:blmain/*ifmaineverreturnswejustcallitagain*/b_trampoline

24、当 main() 函数返回后，我们又用一条跳转指令重新执行 trampoline 程序当然也就重新执行 main() 函数，这也就是 trampoline(弹簧床)一词的意思所在。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 1.1.初始化本阶段要使用到的硬件设备初始化本阶段要使用到的硬件设备 初始化至少一个串口，以便和终端用户进行 I/O 输出信息；初始化计时器等。设备初始化完成后，可以输出一些打印信息，程序名字字符串、版本号等。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 2. 2. 检测系统的内存映射（检测系统的内存映射（memor

25、y mapmemory map） 所谓内存映射就是指在整个 4GB 物理地址空间中有哪些地址范围被分配用来寻址系统的 RAM 单元。比如针对Samsung S3C2410 CPU，从0x3000,0000到0x3400,0000之间的64M地址空间被用作系统的RAM地址空间。 虽然 CPU 通常预留出一大段足够的地址空间给系统 RAM，但是在搭建具体的嵌入式系统时却不一定会实现 CPU 预留的全部 RAM 地址空间。也就是说，具体的嵌入式系统往往只把 CPU 预留的全部 RAM 地址空间中的一部分映射到 RAM 单元上，而让剩下的那部分预留 RAM 地址空间处于未使用状态。第第5 5章章 Bo

26、otloaderBootloader设计基础设计基础 Boot Loader 的 stage2 必须在它想干点什么 (比如，将存储在 flash 上的内核映像读到 RAM 空间中) 之前检测整个系统的内存映射情况，也即它必须知道 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，哪些是处于 unused 状态的。 第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 3.3.加载内核映像和根文件系统映像加载内核映像和根文件系统映像(1) (1) 规划内存占用的布局规划内存占用的布局 这里包括两个方面：(1)内核映像所占用的内存范围；（2）根文件系统

27、所占用的内存范围。在规划内存占用的布局时，主要考虑基地址和映像的大小两个方面。 内核映象所占用的内存范围：一般将其拷贝到（MEM_START+0x8000）地址开始的大约1MB大小的空间，内核一般小于1M。为什么要把从 MEM_START 到 MEM_START0x8000 这段 32KB 大小的内存空出来呢？这是因为 Linux 内核要在这段内存中放置一些全局数据结构，如：启动参数和内核页表等信息。 根文件系统所占用的内存范围：对于根文件系统映像，则一般将其拷贝到 MEM_START+0x0010,0000 开始的地方。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础

28、 （2 2）从）从 Flash Flash 上拷贝上拷贝 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 等固态存储设备的，因此从 Flash 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 设备上拷贝映像的工作：while(count)*dest+=*src+;/*theyareallalignedwithwordboundary*/count-=4;/*bytenumber*/;第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 4.4.设置内核的启动参数设置内核的启动参数 应该说，

29、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，应该作一步准备工作，即：设置 Linux 内核的启动参数。 Linux 2.4.x 以后的内核都期望以标记列表(tagged list)的形式来传递启动参数。启动参数标记列表以标记 ATAG_CORE 开始，以标记 ATAG_NONE 结束。每个标记由标识被传递参数的 tag_header 结构以及随后的参数值数据结构来组成。 数据结构 tag 和 tag_header 定义在 Linux 内核源码的include/asm/setup.h 头文件中： 第第5 5章章 Bootloade

30、rBootloader设计基础设计基础 在嵌入式 Linux 系统中，通常需要由 Boot Loader 设置的常见启动参数有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等。 5.5.调用内核调用内核 Boot Loader 调用 Linux 内核的方法是直接跳转到内核的第一条指令处，也即直接跳转到 MEM_START0x8000 地址处。在跳转时，下列条件要满足：（1）CPU 寄存器的设置： （2）CPU 模式：必须禁止中断（IRQs和FIQs）； CPU 必须 SVC 模式； （3）Cache 和 MMU 的设置： MM

31、U 必须关闭； 指令 Cache 可以打开也可以关闭； 数据 Cache 必须关闭； 第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 5.2 S3C2410 5.2 S3C2410 平台下平台下LinuxLinux的的BootloaderBootloaderuViviViviuU-BOOTU-BOOT第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 1.1.vivivivi简介简介 vivi是由韩国mizi公司为ARM处理器系列设计的一个bootloader。它同样支持启动加载模式和下载工作模式。 在下载模式下，vivi为用户提供一个命令行人机

32、接口，通过这个人机接口可以使用vivi提供的一些命令。如果嵌入式系统没有键盘和显示，那么可以利用vivi中的串口，将其和宿主机连接起来，利用宿主机中的串口软件（如windows中的超级终端或者Linux中的minicom）来控制。 注：vivi仅限于ARM架构的处理器使用第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 5.2.1 vivi1.vivi1.vivi常用的命令常用的命令 Load,Part,bon,Param,Boot,Flash2.vivi2.vivi文件结构文件结构 代码包括arch，init，lib，drivers和include等几个目录，共200

33、多条文件第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 arch ：此目录包括了所有 vivi 支持的目标板的子目录，例如 s3c2410 目录drivers ：其中包括了引导内核需要的设备的驱动程序（MTD和串口）。MTD 目录下分 map 、nand 和 nor 三个目录。 init ：这个目录只有 main.c 和 version.c 两个文件。和普通的 C 程序一样， vivi 将从 main 函数开始执行。 lib ：一些平台公共的接口代码，比如 time.c 里的 udelay() 和 mdelay() 。 include ： 头文件的公共目录， 其中的

34、s3c2410.h 定义了这块处理器的一些寄存器。 Platform/smdk2410.h 定义了与开发板相关的资源配置参数， 我们往往只需要修改这个文件就可以配置目标板的参数，如波特率、引导参数、物理内存映射等。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 3. 3. vivivivi的配置和编译的配置和编译 vivi的配置和嵌入式Linux内核一样，可以采用菜单化的形式进行。其步骤主要如下： #make distclean。清除一些早先生成的无用的目标文件。 #make menuconfig。然后可以根据菜单中的信息进行配置。编译。菜单配置完毕后，保存退出。然后

35、执行“make”命令开始编译。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 vivivivi第一阶段的分析：第一阶段的分析： vivi的第一阶段主要完成了依赖于CPU的体系结构硬件初始化，包括禁止中断、初始化串口、设置CPU的速度和时钟频率、RAM初始化、复制第二阶段到RAM中等。由于这些代码是和硬件紧密相关的,因此要求读者在阅读时对照S3C2410处理器的数据手册,查阅相关的寄存器的描述，以便更好地理解。这些汇编代码全部就集中在viviarchs3c2410目录下的head.S这一个汇编文件中，当然还有相关的头文件。第第5 5章章 BootloaderBootlo

36、ader设计基础设计基础 ARM的中断向量表设置在0地址开始的8个字空间中，如下表：第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 每当其中的某个异常发生后即将PC值置到相应的中断向量处，每个中断向量处放置一个跳转指令到相应的中断服务程序去进行处理，中断向量表的程序如下：第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 从程序arch/s3c2410/head.S开始，按照head.S的代码执行顺序，一次完成了下面几个任务：1、关WATCH DOG (disable watch dog timer) 上电后，WATCH DOG默认是开着的2、禁

37、止所有中断 (disable all interrupts) vivi中不会用到中断，中断是系统的事，bootloader可不能去干这事的(不过这段代码实在多余，上电后中断默认是关闭的)3、初始化系统时钟(initialise system clocks) 启动MPLL，FCLK=200MHz，HCLK=100MHz，PCLK=50MHz，“CPU bus mode”改为“Asynchronous bus mode”。4、初始化内存控制寄存器(memsetup) S3c2410共有15个寄存器，在此开始初始化13个寄存器。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础

38、 5、检查是否从掉电模式唤醒(Check if this is a wake-up from sleep),若是，则调用WakeupStart函数进行处理。6、点亮所有LED (All LED on)点一下灯，通知外面的同志，告诉他们有情况发生。7、初始化UART0 (set GPIO for UART & InitUART)a设置GPIO，选择UART0使用的引脚b初始化UART0，设置工作方式（使用FIFO）、波特率115200、8bit、无流控等。这是使用串口与s3c2410通信的条件，在终端也要如此设置。 8、跳到内存测试函数(simple memory test to find so

39、me DRAM flaults)当然要定义了CONFIG_BOOTUP_MEMTEST这个参数才会跳到内存测试。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 9、如果定义了以Nand flash方式启动 (#ifdef CONFIG_S3C2410_NAND_BOOT)，则此时要将vivi所有代码(包括阶段1和阶段2)从Nand flash复制到SDRAM中（因为在Nand flash中是不能执行程序的，它只能做为程序和数据的存储器，而Nor flash可就不同了，Nor flash可以执行程序，但贵是它发展得瓶颈）：a设置nand flash控制寄存器b设置堆栈指

40、针c设置即将调用的函数nand_read_ll的参数：r0=目的地址(SDRAM的地址)，r1=源地址(nand flash的地址)，r2=复制的长度(以字节为单位)d调用nand_read_ll进行复制10、跳到bootloader的阶段2运行，亦即调用init/main.c中的main函数(get read to call C functions)a重新设置堆栈b设置main函数的参数c调用main函数第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 vivivivi第二阶段的分析：第二阶段的分析： vivi的第二阶段的入口就是init/main.c，按照源代码的组

41、织流程，根据模块化划分的原则，共分为8个功能模块即八个步骤，在源代码的注释中以step非常清晰的给出了区分。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 第一步：reset_handler( ) vivi从main()函数开始执行，函数开始通过 putstr(vivi_bannner)打印出vivi的版本。 /*Step1:*/putstr(“rn”);putstr(vivi_banner);/vivi_banner是vivi执行开始的显示信息，vivi_banner在文件version.c中定义reset_handler();/将内存清空，在/lib/reset_

42、handle.c文件中定义第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 第二步：board_init( ) board_init调用2个函数用于初始化定时器和设置各GPIO引脚功能，代码在arch/s3c2410/smdk.c中：intboard_init(void)init_time();/*arch/s3c2410/proc.c*/set_gpios();/*arch/s3c2410/smdk.c*/return0;第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 第三步：进行内存映射初始化和内存管理单元（MMU）的初始化工作，建立页表和

43、启动MMU。 mem_map_init(); mmu_init(); mem_map_init函数用于建立页表，vivi使用段式页表，只需要一级页表。它调用3个函数，代码在arch/s3c2410/mmu.c中：/*Step3:*/mem_map_init();mmu_init();putstr(Succeedmemorymapping.rn); 第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 第四步：heap_init( )，第4步调用了heap_init(void)函数，并返回值。该值是函数heap_init()调用的mmalloc_init()函数的返回值。其实

44、，这步就是申请一块内存区域。/*Now,viviisrunningontheram.MMUisenabled.*Step4:*/*initializetheheaparea*/ret=heap_init();if(ret)putstr(Failedinitailizingheapregionrn);error(); 具体实现部分在lib/heap.c文件中第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 第五步：mtd_dev_init( )，初始化mtd设备。 在linux系统中，我们通常会用到不同的存储设备，特别是FLASH设备。为了在使用新的存储设备时，我们能更简

45、便地提供它的驱动程序，在上层应用和硬件驱动的中间，抽象出MTD设备层。驱动层不必关心存储的数据格式如何，比如是FAT32、ETX2还是FFS2或其它。它仅仅提供一些简单的接口，比如读写、擦除及查询。如何组织数据，则是上层应用的事情。MTD层将驱动层提供的函数封装起来，向上层提供统一的接口。这样，上层即可专注于文件系统的实现，而不必关心存储设备的具体操作。 也可以这样理解在设备驱动（此处指存储设备）和上层应用之间还存在着一层，共三层，这个中间层就是MTD技术的产物。通常可以将它视为驱动的一部分，叫做上层驱动，而那些实现设备的读、写操作的驱动称为下层驱动，上层驱动将下层驱动封装，并且留给其上层应用

46、一些更加容易简单的接口。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 第六步：配置参数，主要是init_priv_data函数。 将启动内核的命令参数取出， 存放在内存特定的位置中。 这些参数来源有两个：vivi预设的默认参数，用户设置的参数(存放在nand flash上)。 init_priv_data先读出默认参数， 存放在“VIVI_PRIV_RAM_BASE”开始的内存上；然后读取用户参数，若成功则用用户参数覆盖默认参数，否则使用默认参数。 init_priv_data函数分别调用 get_default_priv_data 函 数 和load_saved_

47、priv_data函数来读取默认参数和用户参数。 这些参数分为3类： avivi自身使用的一些参数，比如传输文件时的使用的协议等 blinux启动命令 cnand flash的分区参数 第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 第七步：misc( )和init_builtin_cmds( )，这两个函数都是简单地调用add_command函数，给一些命令增加相应的处理函数。在vivi启动后，可以进去操作界面， 这些命令，就是供用户使用的。 第八步：boot_or_vivi( ) ，此函数根据情况，或者启动“vivi_shell”，进入与用户进行交互的界面，或者直

48、接启动linux内核。 第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 5.2.2 U-boot U-Boot，全称Universal Bootloader，是遵循GPL条款的开放源码项目。 它主要支持的目标操作系统有OpenBSD, NetBSD, FreeBSD,4.4BSD, Linux, SVR4, Esix, Solaris, Irix, SCO, Dell, NCR, VxWorks, LynxOS, pSOS, QNX, RTEMS, ARTOS等，其支持的硬件架构有powerpc

49、, arm, mips, x86等等因此功能比较强大，这也是U-Boot中Universal的一层含义。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 u-bootu-boot的制作的制作 如果当前的u-boot支持你的平台，制作u-boot是非常简单的，你只需要按照下面的流程进行编译： make clean make distclean make smdk2410_config make 之后得到的u-boot.bin就是你的目标文件，但是仅仅知道上面的几个步骤没有任何意义，因为很多的时候uboot里面并没有你的开发板平台对应的配置项，而只有相似平台的，在这种情况下

50、我们应该如何处理了？这里首先需要介绍一下u-boot的源码结构。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 子目录子目录描述描述board开发板相关开发板相关common通用的函数通用的函数cpucpu相关，对应不同的架构的相关，对应不同的架构的cpu，子目录进一步细分了，子目录进一步细分了disk磁盘驱动和相关的操作代码磁盘驱动和相关的操作代码doc开发文档，还有使用文档开发文档，还有使用文档lib_generic通用库函数通用库函数lib_xxxxxx架构下的通用文件架构下的通用文件libfdt支持平台设备树的库支持平台设备树的库,基于基于openfirmwa

51、re结构，一般不会用到结构，一般不会用到driver各类设备的驱动，根据平台配置会编译不同的驱动各类设备的驱动，根据平台配置会编译不同的驱动fs文件系统文件系统include头文件和开发板的配置文件头文件和开发板的配置文件net网络子系统网络子系统nand_spl支持从支持从nandflash启动，但支持的启动，但支持的cpu的种类也不是很多的种类也不是很多onenand_ipl支持从支持从onenand(三星公司开发的结合了三星公司开发的结合了nand和和nor技术的技术的flash)启动的代码启动的代码post上电自检程序上电自检程序tools制作制作S-Record(motorola制定

52、的一种烧写格式，很简单制定的一种烧写格式，很简单)，u-boot镜像等的工具镜像等的工具example一些可以在一些可以在u-boot上运行的小示例程序上运行的小示例程序api一些扩展应用的独立的一些扩展应用的独立的apiapi_exampleapi的示例程序的示例程序第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 examples：可在U-Boot下运行的示例程序；如hello_world.c,timer.c；Include： U-Boot头文件； 这个目录存放头文件的公共目录,其中include/configs/smdk2410.h定义了所有和S3C2410X相关

53、的资源的配置参数,我们往往只需修改这个文件就可以配置目标板的参数,如波特率、引导参数、物理内存映射等。 smdk2410.h这个头文件中主要定义了两类变量。 一类是选项，前缀是CONFIG_，用来选择处理器、设备接口、命令、属性等，主要用来 决定是否编译某些文件或者函数。 另一类是参数，前缀是CFG_，用来定义总线频率、串口波特率、Flash地址等参数。这些常数参量主要用来支持通用目录中的代码，定义板子资源参数。 这两类宏定义对u-boot的移植性非常关键。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 lib_xxx：处理器体系相关的文件，如lib_ppc,lib_

54、arm：目录分别包含与PowerPC、ARM体系结构相关的文件；net：与网络功能相关的文件目录，如bootp,nfs,tftp；post: 上电自检文件目录。尚有待于进一步完善；rtc: 驱动程序；tools: 用于创建U-Boot S-RECORD和BIN镜像文件的工具；第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 U-Boot的常用命令help命令bootp命令cmp命令cp命令crc32命令echo命令erase命令flinfo命令go命令 iminfo命令loadb命令loads命令mw命令 nfs命令 nm命令 printenv命令protect命令 r

55、arboot命令 run命令 setenv命令sleep命令 tftpboot命令第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 smkd2410smkd2410其余重要的文件其余重要的文件include/s3c2410x.h 定义了s3c2410x芯片的各个特殊功能寄存器（SFR）的地址。cpu/arm920t/start.s 在flash中执行的引导代码,也就bootloader中的stage1,负责初始化硬件环境，把u-boot从flash加载到RAM中去，然后跳到lib_arm/board.c中的start_armboot中去执行。lib_arm/board.

56、c u-boot的初始化流程，尤其是u-boot用到的全局数据结构gd,bd的初始化，以及设备和控制台的初始化。board/smdk2410/flash.c 在board目录下代码的都是严重依赖目标板，对于不同的CPU，SOC，ARCH，u-boot都有相对通用的代码，但是板子构成却是多样的，主要是内存地址，flash型号，外围芯片如网络。对fs2410来说，主要考虑从smdk2410板来移植，差别主要在nor flash上面。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 U-Boot U-Boot 的移植的移植 U-Boot 能够支持多种体系结构的处理器，支持的开

57、发板也越来越多。因为 Bootloader 是完全依赖硬件平台的，所以在新电路板上需要移植 U-Boot 程序。 开始移植 U-Boot 之前，先要熟悉硬件电路板和处理器。确认 U-Boot 是否已经支持新开发板的处理器和 I/O 设备。假如 U-Boot 已经支持一块非常相似的电路板，那么移植的过程将非常简单。 移植 U-Boot 工作就是添加开发板硬件相关的文件、配置选项，然后配置编译。 第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 U-Boot本身支持很多开发板，在其源代码中，每个板子都对应一个board/目录下的文件夹，以及include/configs/目

58、录下的目标板配置头文件。因此，要添加U-Boot对我们的目标板的支持，首先就是要建立目标板文件夹和配置头文件，并修改相关的Makefile。 第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 下面以实例说明为U-Boot添加新的目标板定义的步骤和过程。注：目标板是XSBASE270，处理器是PXA270。(1)在board/目录下建立目标板目录。 由于目标板是XSBASE270，处理器是PXA270。由于U-Boot中本身支持很多开发板和处理器，可以从中找出与自己处理器型号相同或相近的开发板，在此基础上再做后续修改。 第第5 5章章 BootloaderBootload

59、er设计基础设计基础 由于adsvix使用的也是PXA27x处理器，因此可以把它作为模板。(2)在include/configs/目录下建立目标板配置头文件。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 (3)修改Makefile。 一是要在总的Makefile(U-Boot源码顶层目录下)中加入目标板的编译配置选项，这也可以参考adsvix的进行修改，只要把目标板名称改换为xsbase270即可： 二是要修改board/xsbase270下的Makefile。 第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 至此，将新的目标板xsbase

60、270的定义添加到U-Boot中的工作就算完成了。下面的命令可以编译得到xsbase270的U-Boot： 当然，要使编译出来的这个u-boot能真正适用于我们的目标板，还有很多工作要做，包括处理器工作状态、存储器映射设置、网卡驱动的移植等等。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 u-boot u-boot 系统启动流程系统启动流程 大多数bootloader都分为stage1和stage2两大部分， u-boot也不例外。依赖于CPU体系结构的代码（如设备初始化代码等）通常都放在stage1且可以用汇编语言来实现，而stage2则通常用C语言来实现，这样可

61、以实现复杂的功能，而且有更好的可读性和移植性。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 1) stage1 (1) stage1 (start.sstart.s代码结构代码结构) ) u-boot u-boot的的stage1stage1代码通常放在代码通常放在start.sstart.s文件中，它用汇编语言写成，其文件中，它用汇编语言写成，其主要代码部分如下：主要代码部分如下： (1) (1) 定义入口定义入口 。由于一个可执行的。由于一个可执行的ImageImage必须有一个入口点，并且只能有必须有一个入口点，并且只能有一个全局入口，通常这个入口放在一个全局

62、入口，通常这个入口放在ROM(FlashROM(Flash) )的的0x00x0地址，因此，必须通地址，因此，必须通知编译器以使其知道这个入口，该工作可通过修改连接器脚本来完成。知编译器以使其知道这个入口，该工作可通过修改连接器脚本来完成。 (2)(2)设置异常向量设置异常向量( (ExceptionvectorExceptionvector) )。 (3)(3)设置设置CPUCPU的速度、时钟频率及中断控制寄存器。的速度、时钟频率及中断控制寄存器。 (4)(4)初始化内存控制器初始化内存控制器 。 (5)(5)将将ROMROM中的程序复制到中的程序复制到RAMRAM中。中。 (6)(6)初始

63、化堆栈初始化堆栈 。 (7)(7)转到转到RAMRAM中执行，该工作可使用指令中执行，该工作可使用指令ldrpcldrpc来完成。来完成。 第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 2) stage2 C2) stage2 C语言代码部分语言代码部分 libarm/board.clibarm/board.c中的中的startarmbootstartarmboot是是C C语言开始的函数，也是整语言开始的函数，也是整个启个启动代码中动代码中C C语言的主函数，同时还是整个语言的主函数，同时还是整个u-boot(armbootu-boot(armboot) )的主函

64、数，该的主函数，该函数主要完成如下操作：函数主要完成如下操作： (1)(1)调用一系列的初始化函数。调用一系列的初始化函数。 (2)(2)初始化初始化FlashFlash设备。设备。 (3)(3)初始化系统内存分配函数。初始化系统内存分配函数。 (4)(4)如果目标系统有显示设备，则初始化该类设备。如果目标系统有显示设备，则初始化该类设备。 (5)(5)初始化相关网络设备，填写初始化相关网络设备，填写IPIP、MACMAC地址等。地址等。 (6)(6)进入命令循环（即整个进入命令循环（即整个BootBoot的工作循环），接受用户从串口输入的命的工作循环），接受用户从串口输入的命令，然后进行相应

65、的工作。令，然后进行相应的工作。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 start.Sstart.S 代码结构代码结构 1) 1) 定义入口定义入口 一个可执行的一个可执行的 Image Image 必须有一个入口点并且只能有一个唯一的全必须有一个入口点并且只能有一个唯一的全局入口，通常这个入口放在局入口，通常这个入口放在 flashflash的的 0x0 0x0 地址。地址。例如例如 start.Sstart.S 中的中的 . .globl_startglobl_start: : 值得注意的是必须告诉编译器知道这个入口，这个工作主要是修改连值得注意的是必须告

66、诉编译器知道这个入口，这个工作主要是修改连器脚本文件（器脚本文件（ldslds）。）。 2) 2) 设置异常向量设置异常向量(Exception Vector) (Exception Vector) 异常向量表，也可称为中断向量表，必须是从异常向量表，也可称为中断向量表，必须是从 0 0 地址开始，连地址开始，连续的存续的存放。如下面的就包括了复位放。如下面的就包括了复位(reset),(reset),未定义处理（未定义处理（undefundef）, ,软件中断软件中断(SWI),(SWI),预预去指令错误去指令错误( (PabortPabort),),数据错误数据错误( (DabortDab

67、ort),),保留，以及保留，以及 IRQ,FIQ IRQ,FIQ 等。等。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 3) 3) 初始化初始化 CPU CPU 相关的相关的 pll,clockpll,clock, ,中断控制寄存器中断控制寄存器 依次为关闭依次为关闭 watch dog timer,watch dog timer,关闭中断，设置关闭中断，设置 LockTimeLockTime以及时钟。以及时钟。4) 4) 初始化内存控制器初始化内存控制器 内存控制器内存控制器, ,包括总线宽度，包括总线宽度，8 8个内存个内存 bankbank，bankbank

68、大小以及两个大小以及两个bank modbank mod。5) 5) 将将 ROM ROM 中的程序复制到中的程序复制到 RAM RAM 中中 首先利用首先利用PC PC 取得取得 bootloaderbootloader 在在 flash flash 的起始地址，再通过标的起始地址，再通过标号之差计算出这个程序代码的大小。这些标号，编译器会在连接号之差计算出这个程序代码的大小。这些标号，编译器会在连接（linklink）的时候生成正确的分布的值。取得正确信息后，通过寄存器）的时候生成正确的分布的值。取得正确信息后，通过寄存器(r3 (r3 到到 r10)r10)做为复制的中间媒介，将代码复制

69、到做为复制的中间媒介，将代码复制到 RAM RAM 中。中。第第5 5章章 BootloaderBootloader设计基础设计基础 6)6)设置堆栈设置堆栈7)7)转到转到 RAM RAM 中执行中执行 使用指令：使用指令： ldrldrpc, _pc, _start_armbootstart_armboot _ _start_armbootstart_armboot: :.word .word start_armbootstart_armboot跳转到跳转到C C函数地址。函数地址。 这里的这里的start_armbootstart_armboot就是就是lib_arm/board.clib_arm/board.c中的中的start_armbootstart_armboot()()函数，函数， 由此由此U-BootU-Boot开始执行开始执行C C语言部分的代码。语言部分的代码。