基于ARM9上linux系統(tǒng)的bootloader設(shè)計

1．引言

在嵌入式開發(fā)中其中不可避免的一環(huán)就是bootloader的設(shè)計[1]，它統(tǒng)籌軟硬件資源，使得資源最優(yōu)配置，嵌入式系統(tǒng)對功耗，性能，以及成本要求很苛刻，它要求在達(dá)到用戶要求的前提下把成本和資源利用降為最低，Booloader不是驅(qū)動開發(fā)的一部分，但一個好的booloader可以決定該產(chǎn)品在市場上的成敗[2]。

采用Samsung公司的ARM920T[3]處理器與Linux2.4.18嵌入式操作系統(tǒng)，根據(jù)處理速度和效率的不同采用分階段實現(xiàn)的方法，在具體實現(xiàn)時不拘泥于該處理器和操作系統(tǒng)版本，使之更有普遍性和通用性。

2．bootloader概述

引導(dǎo)加載程序bootloader是系統(tǒng)加電后運行的第一段代碼[4]，功能類似pc機的BIOS，在ARM中一般都是位于地址0x00000000,這段代碼可以實現(xiàn)初始化硬件設(shè)備，建立內(nèi)存空間映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件帶到一個合適的狀態(tài)，以便最終為調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核和用戶應(yīng)用程序準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。

Bootloader的啟動可以單階段也可以多階段，為了方便移植和增加系統(tǒng)的執(zhí)行效率一般分為兩個階段stage1用匯編編寫和stage2用C 語言編寫，stage1主要進(jìn)行與CPU與存儲設(shè)備相關(guān)的工作進(jìn)行必要的初始化工作，是一些依賴于體系結(jié)構(gòu)的代碼，例如初始化CPU運行的時鐘頻率，初始化Flash和內(nèi)存的數(shù)據(jù)寬度、讀/寫訪問周期和刷新周期，初始化中斷系統(tǒng)，初始化系統(tǒng)中各種片內(nèi)片外設(shè)備和I/O口，初始化系統(tǒng)各種運行模式下的寄存器和堆棧。stage2是用C語言實現(xiàn)一般的流程以及對板級驅(qū)動的支持，包括初始化要用到用到的內(nèi)核映像和文件系統(tǒng)映像,并將PC指針指向操作系統(tǒng)內(nèi)核的入口處，為操作系統(tǒng)的運行作好準(zhǔn)備。這樣設(shè)計代碼具有很好的移植性和可讀性，對于相同的CPU只需修改stage2，對于不同的CPU只需修改 stage1。

3．stage1設(shè)計

3．1．建立二級中斷向量表

每當(dāng)有中斷或者異常發(fā)生時，ARM處理器便強制把PC指針指向向量表中對應(yīng)中斷類型的地址值。為了加快中斷響應(yīng)，在Flash的0x0地址存放能跳轉(zhuǎn)到0x33ffff00地址處中斷向量的跳轉(zhuǎn)指令，即在RAM中建立一個二級中斷向量表，起始地址為0x33ffff00，除復(fù)位外，其它異常入口地址由Flash跳轉(zhuǎn)得到，部分實現(xiàn)代碼如下

#define _ISR_STARTADDRESS         (SDRAM_END-0x100)         //0x33ffff00    
definepISR_RESET (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x0))// x33ffff00
#define pISR_UNDEF    (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x4))// x33ffff04

如表1所示:

       表1.二級中斷向量表

3．2 拷貝Stage2至RAM

習(xí)慣上把stage2拷貝到RAM地址的最頂部1MB開始的空間，RAM的起始地址為0x30000000。實現(xiàn)代碼如下所示：

/*計算stage2在flash中的位置，假設(shè)該映像不超過64K，自行可修改該值*/

Adr r0,_start
Add r2,r0,#(64*1024)
Add r0,ro,#0x1000
Ldr r1 ,BLOB_START
/*開始復(fù)制stage2到RAM，R0=源起始地址，R1=目的地址，r2源結(jié)束地址*/
copy_loop:
ldmia r0!,{r3-r10}
stmia r1!, {r3-r10}
cmp r0,r2
ble copy_loop
ldr r0,BLOB_START //復(fù)制完跳轉(zhuǎn)到RAM執(zhí)行由此入口進(jìn)入stage2 

3．3．設(shè)置堆棧指針

系統(tǒng)堆棧初始化取決于用戶使用了哪些中斷，以及系統(tǒng)需要處理哪些錯誤類型。一般情況下，管理者堆棧必須設(shè)置，如果使用了IRQ中斷，則IRQ堆棧也必須設(shè)置，下面以IRQ堆棧為例進(jìn)行設(shè)置。

IRQMode 堆棧
 orr r1,r0,#IRQMODE|NOINT
 msr cpsr_cxsf,r1; IRQMode
 ldr sp,IRQStack

4． stage2設(shè)計

4．1．可執(zhí)行映像stage2的入口

由于在編譯和鏈接Bootloader這樣的c程序時不能使用glibc庫支持的函數(shù)，所以直接把main()函數(shù)的起始地址作為第二階段的入口點是最直接的想法?？梢杂脜R編編寫一段trampoline（彈簧床）小程序用CPU跳轉(zhuǎn)指令跳到main()函數(shù)去執(zhí)行，當(dāng)mian()函數(shù)返回時會再次回到trampoline程序，具體匯編代碼如下：
@get read to call c functions
ldr sp DW_STACK_START  @ setup stack pointer
mov fp ,#0               @ no previous frame,so fp=0
mov a2, #0               @set argv to NULL
bl  main                @call main
mov pc,#FLASH_BASE    @otherwise,reboot

如果正常不出錯就不會再回到trampoline程序，否則就會回到最后一條語句重起系統(tǒng)。

4．2 內(nèi)存影射

一般s3c2410上配置的SDRSAM大小為64M,該SDRAM的物理地址范圍是0x3000 0000~0x33FF FFFF(屬于Bank 6)，由于1個Section的大小是1M，所以該物理空間可以被分成64個物理段(頁框)。

由于bootloader沒有對MMU的管理代碼，處理器在運行時直接訪問物理地址。同時，因為ARM體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)緩沖（Dcache）必須通過 MMU開啟，所以bootloader效率比較低，可通過平板映射（flat,既虛擬地址和物理地址相同）方式開啟MMU，從而使用內(nèi)存空間的 Dcache，提高bootloader的運行速度。

如圖1所示:

圖1虛擬地址到物理地址映射

映射關(guān)系代碼如下：
void mem_mapping_linear(void)
 {   unsigned long descriptor_index, section_base, sdram_base, sdram_size;
     sdram_base=0x30000000;
 sdram_size=0x 4000000;
 for(section_base=sdram_base,descriptor_index=section_base>>
20;Ssection_base<sdram_base+sdram_size; rdescriptor_index+=1;section_base +=0x100000)
{*(mmu_tlb_base+(descriptor_index))=(section_base>>20)| MMU_OTHER_SECDESC;}
}

4．3．裝載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像

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)備的，因此從Flash上讀取數(shù)據(jù)與從 RAM單元中讀取數(shù)據(jù)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：

其中count為根文件系統(tǒng)映像的大小或內(nèi)核映像的大小。
While(count){
*dest++=*src++;//src為fash中的地址，dest為RAM中的地址
count-=4;}

4．4．置內(nèi)核的啟動參數(shù)

內(nèi)核啟動可以從Nand Flash或Nor Flash中啟動運行l(wèi)inux，需要修改啟動命令如下：
#ifdef CONFIG_S3C2410_NAND_BOOT
Char Linux_cmd[]=“noinit root=/dev/bon/2 init =/Linuxrc console=tty0 console=ttys0”;
#else
CharLinux_cmd[]=“CharLinux_cmd[]=”noinit root=/dev/bon/3 init =/Linuxrc console=tty0 console=ttys0”;

其中noinitrd不使用ramdisk。
root根文件系統(tǒng)所在MTD分區(qū)。
Init內(nèi)核運行入口命令文件。
console 內(nèi)核信息控制臺，ttyS0表示串行口0。
ttys0表示虛擬終端LCD啟動參數(shù)一般都包括root、init和console。

5．結(jié)論

設(shè)計bootloader是一項很復(fù)雜的工作，需要對硬件資源和所用的操作系統(tǒng)有很深的理解，在實際開發(fā)中可以根據(jù)需要簡化設(shè)計，去除不必要的系統(tǒng)功能，這樣可以大大提高程序執(zhí)行的效率和穩(wěn)定性。

本文作者創(chuàng)新點：bootloader隨硬件不同設(shè)計也盡相同，但本質(zhì)的原理是一樣的，本文給出了一種層次分明設(shè)計簡練較之通用的設(shè)計方法，使嵌入式工作者可以快速的了解bootloader的實現(xiàn)從而寫出符合需要的啟動程序。

參考文獻(xiàn)
[1] 萬永波 張根寶 田澤 楊峰，基于ARM的嵌入式系統(tǒng)Bootloader啟動流程分析, 微計算機信息, 2005年，第21卷11-2期，90頁.
[2] 嵌入式linux設(shè)計與應(yīng)用.鄒思軼. 北京：清華大學(xué)出版社 2002.
[3] SUMSUANG ELECTRONICS. S3C2410X User’s Manual[Z].Republic of Korea: Sumsang,2003.
[4]　馬學(xué)文, 朱明日, 程小輝.嵌入式系統(tǒng)中 Bootloader的設(shè)計與實現(xiàn).計算機工程，2005年，第31卷7期,96頁.