基于Nandflash的Bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：Bootloader是系統(tǒng)上電或復(fù)位后首先運(yùn)行的一段代碼，是連接操作系統(tǒng)和硬件的橋梁，負(fù)責(zé)初始化硬件和引導(dǎo)操作系統(tǒng)等。目前已有很多通用的Bootloader，但是如何根據(jù)特定的嵌入式平臺(tái)，移植自己的引導(dǎo)程序是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。文章詳細(xì)說明了從Nandflash引導(dǎo)操作系統(tǒng)要完成的主要任務(wù)和實(shí)現(xiàn)方法，并給出了在S3C2410上實(shí)現(xiàn)Nandflash啟動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果。
關(guān)鍵詞：Bootloader; 移植；Nandflash；S3C2410

0 引言
Bootloader通常稱為系統(tǒng)的引導(dǎo)加載程序，是系統(tǒng)加電或復(fù)位后執(zhí)行的第一段代碼[ 1 ]。一般它只在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行非常短的時(shí)間，但對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來說，這是一個(gè)非常重要的系統(tǒng)組成部分。通過這段小程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境，并同時(shí)提供基本輸入、輸出系統(tǒng)監(jiān)控功能和程序調(diào)試功能。

Bootloader是嚴(yán)重地依賴于硬件而實(shí)現(xiàn)的。每種不同體系結(jié)構(gòu)的處理器都有不同的Bootloader。除了依賴于處理器的體系結(jié)構(gòu)以外，Bootloader實(shí)際上也依賴于具體的嵌入式板級(jí)設(shè)備的配置，也就是說，對(duì)于兩塊不同的嵌入式板而言，即使它們是基于同一種處理器而構(gòu)建的，要想讓運(yùn)行在一塊板子上的Bootloader程序也能運(yùn)行在另一塊板子上，通常也都需要修改與目標(biāo)硬件相關(guān)的代碼。因此有必要分析Bootloader，并理解和找出其中的原理和規(guī)律，就其特定的嵌入式系統(tǒng)，移植或開發(fā)屬于自己的Bootloader。

1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)簡(jiǎn)介
   本系統(tǒng)采用的是SamSung公司的S3C2410處理器[ 2 ]，它是專門為移動(dòng)手持設(shè)備提供的高性價(jià)比和高性能的嵌入式微處理器解決方案。其內(nèi)核是ARM920T，最高能工作在202.8MHz，為了減少系統(tǒng)總成本和減少外圍器件，它集成了如下部件：分別為16KB指令和數(shù)據(jù)Cahce、1個(gè)LCD控制器、SDRAM控制器、NANDFLASH控制器、3通道UART、4通道DMA、4個(gè)具有PWM功能的計(jì)時(shí)器和1個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘、8通道10位ADC、觸摸屏接口、I²S總線接口，2個(gè)USB主機(jī)接口、1個(gè)USB設(shè)備接口，2個(gè)SPI接口、SD和MMC卡接口、看門狗定時(shí)器、117位通用IO口、24位外部中斷源、8通道10位AD控制器等。本文涉及的S3C2410開發(fā)板的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文主要闡述從Nandflash引導(dǎo)操作系統(tǒng)要完成的主要任務(wù)和實(shí)現(xiàn)方法，至于從Norflash引導(dǎo)操作系統(tǒng)，不打算具體實(shí)現(xiàn)。
 
圖1  S3C2410硬件結(jié)構(gòu)圖

2 存儲(chǔ)空間分布和映射圖
硬件平臺(tái)的Nandflash（型號(hào)是：K9F1208U0M[ 3]）空間為64MB，SDRAM(型號(hào)是：HY57V561620[ 4 ],32Mx2)空間為64M（0x30000000-0x33ffffff），采用如圖2所示的存儲(chǔ)空間分布圖，因?yàn)镹andflash只能存儲(chǔ)程序，無法運(yùn)行程序。為了能夠從Nandflash啟動(dòng)，上電復(fù)位時(shí)，S3C2410通過硬件邏輯把Nandflash的前4KB的內(nèi)容復(fù)制到片內(nèi)SRAM中，而片內(nèi)SRAM被映射到地址0x0，這樣就可以從地址0x0處取到有效指令，開始執(zhí)行bootloader，完成把Nandflash中的內(nèi)核代碼復(fù)制到sdram中等工作。
 
圖2   引導(dǎo)代碼和操作系統(tǒng)內(nèi)核在Nandflash和存儲(chǔ)空間中的分布情況

3 Bootloader的設(shè)計(jì)流程
Bootloader引導(dǎo)程序是硬件上電復(fù)位后首先運(yùn)行的代碼，由它來加載嵌入式操作系統(tǒng)。然后由操作系統(tǒng)接管整個(gè)系統(tǒng)，進(jìn)行進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、磁盤管理和各個(gè)外設(shè)管理等工作。 BootLoader是操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前的一段自舉程序，用來初始化硬件設(shè)備、改變處理器運(yùn)行模式和重組中斷向量，建立內(nèi)存空間的映射圖，將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)由用戶定制的特定狀態(tài)，然后加載操作系統(tǒng)內(nèi)核。從操作系統(tǒng)的角度來看，Bootloader的總目標(biāo)就是正確地調(diào)用內(nèi)核來執(zhí)行。Bootloader一般分為stage1和stage2兩大部分[ 5 ]，對(duì)于依賴于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，而且通常都用匯編語言來實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到短小精悍的目的，也就是前面說的啟動(dòng)代碼。而stage2則通常用C語言來實(shí)現(xiàn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，而且代碼會(huì)具有更好的可讀性和可移植性。

3.1 Bootloader的stage1
這部分代碼必須首先完成一些基本的硬件初始化。為stage2 的執(zhí)行以及隨后的內(nèi)核的執(zhí)行準(zhǔn)備好一些基本的硬件環(huán)境。Bootloader 的stage1 一般通用的內(nèi)容包括:
（1）設(shè)置中斷和異常向量；(2)禁止看門狗；(3) 屏蔽所有的中斷, 在Boot Loader 的執(zhí)行全過程中可以不必響應(yīng)任何中斷, 中斷屏蔽可以通過寫CPU 的中斷屏蔽寄存器或狀態(tài)寄存器CPSR 寄存器來完成；(4) 設(shè)置CPU 的速度和時(shí)鐘頻率；(5) 對(duì)RAM進(jìn)行初始化, 包括正確設(shè)置系統(tǒng)的內(nèi)存控制器的功能寄存器等；(6)初始化LED或UART，就是通過GPIO來驅(qū)動(dòng)LED,也可以通過初始化UART向串口打印Bootloader的調(diào)試信息來表明系統(tǒng)的狀態(tài)是OK還是ERROR，以便跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行情況；(7)關(guān)閉CPU 內(nèi)部指令/數(shù)據(jù)高速緩存(cache)；（8）為加載Bootloader的stage2準(zhǔn)備RAM空間；（9）設(shè)置好堆棧；（10）跳轉(zhuǎn)到stage2的C入口點(diǎn)；其流程圖如圖3所示。 
 
圖3  Bootloader的stage1的實(shí)現(xiàn)

3.2 Bootloader的stage2
為了讓程序跳入C 語言的“main”函數(shù), 我們采用直接跳轉(zhuǎn)到“main”函數(shù)的方法, 實(shí)現(xiàn)代碼如下:
b   Main 
進(jìn)入main 函數(shù)后即可以開始本階段stage2 的初始化任務(wù), 這包括:
(1) 如果在stage1沒有初始化UART,這時(shí)候至少初始化一個(gè)串口, 以便和終端用戶進(jìn)行交互，當(dāng)然也可以繼續(xù)點(diǎn)亮或熄滅LED來判斷程序執(zhí)行情況；
(2) 修改時(shí)鐘頻率；
(3) 使能指令Cache；
(5) 從串口中打印一些必要的交互信息，了解系統(tǒng)狀態(tài)；
(6) 初始化中斷, 包括屏蔽中斷, 清除中斷懸掛標(biāo)志, 初始化中斷向量表, 注冊(cè)需要的中斷處理函數(shù)等；
(8)打印版本、時(shí)間等信息，并從Nandflash復(fù)制內(nèi)核到SDRAM中；
（9）修改指針，直接跳到內(nèi)核在SDRAM中的首地址處，至此，完成了Bootloader的全部運(yùn)行加載工作；

下面是main（）函數(shù)和從Nandflash復(fù)制內(nèi)核到SDRAM中的ReadImageFromNandflash（）函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)，但省略了一些具體細(xì)節(jié)，包括從串口打印的啟動(dòng)、交互、調(diào)試信息和一些具體函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。一些具體函數(shù)的實(shí)現(xiàn)可以參考三星評(píng)估版源代碼。
void Main(void)
{
   JumpAddr=0x30200000; //拷貝內(nèi)核到sdram中的起始地址，也是內(nèi)核開始執(zhí)行的地址
    ChangeClockDivider(1,1);     //1:2:4
    ChangeMPllValue(0x5c,0x1,0x1);   // FCLK=202.8MHz
    MMU_EnableICache();   //使能指令Cache
    Uart_Init();      // 初始化串口
Port_Init();      //初始化I/O口
NF_Init();        //初始化Nandflash控制器
NF_ReadID();      //讀取Nandflash存儲(chǔ)器ID號(hào)
ReadImageFromNandflash();//把存儲(chǔ)在Nandflash中的內(nèi)核拷貝到SDRAM中
rINTMSK=BIT_ALLMSK; //屏蔽所有中斷
Launch(JumpAddr); //跳轉(zhuǎn)到sdram中內(nèi)核開始處，并運(yùn)行內(nèi)核
}
從Nandflash（Flash是K9F1208U0M）拷貝內(nèi)核到SDRAM的函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)如下：
void ReadImageFromNandflash(void)
{
U8 Image_Buf[512];
    U32 Sram_Space=0;
    U32 j,k, numberblock;
    static U32 i, SECTOR_SIZE=512;
    static U8 isbad;
    volatile U32 IMAGE_BASE=0x30200000;  //內(nèi)核在sdram中運(yùn)行的開始地址
    rINTMSK = BIT_ALLMSK;    //屏蔽所有中斷
    i=2; //從第2個(gè)block開始拷貝內(nèi)核，第0個(gè)用于存儲(chǔ)本文的bootloader，第1個(gè)沒用到
numberblock=2047; //拷貝多少個(gè)block到sdram中，視內(nèi)核大小設(shè)置此值
    while(1)
    {
     nextblock:
       isbad=0;
       isbad=NF_IsBadBlock(i);    //判斷正在拷貝的block是否是壞block
       if (isbad)  //是壞block，就進(jìn)行相應(yīng)的處理；否則就忽略此處，進(jìn)行下面的拷貝
       { 
         i=i+1;    //調(diào)整，指向下一個(gè)block
         isbad=0;
         if(i>= numberblock)     //判斷是否拷貝完了所需的block
         {
            Launch(JumpAddr);  //拷貝完了所需的block，就跳到sdram中內(nèi)核開始處
}
goto nextblock;    
       }
       for(k=0;k<32;k++)     //1 block=32 pages
       {  // FMD_ReadSector（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)從Nandflash存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中
          FMD_ReadSector(i, (U8 *)&Image_Buf, k);
          for (j=0;j<SECTOR_SIZE;j++)   //1 page=512 bytes
          {  //從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中拷貝到sdram中
             *((U8 *)(IMAGE_BASE+Sram_Space+j))=Image_Buf[j]; 
           }
            Sram_Space=Sram_Space+SECTOR_SIZE; //調(diào)整sdram中的偏移地址
         }
        i=i+1; //調(diào)整，指向下一個(gè)block
        if(i>= numberblock)    //判斷是否拷貝完了所需的block
        {
           Launch(JumpAddr);  //拷貝完了所需的block，就跳到sdram中內(nèi)核開始處
         }
    }
}

4 試驗(yàn)結(jié)果
由于三星公司的S3C2410集成了Nandflash控制器，它通過硬件邏輯把Nandflash的前4KB內(nèi)容，即把Bootloader復(fù)制到片內(nèi)sram中，并被映射到地址0x0處。通過跳線設(shè)置默認(rèn)從nandflash啟動(dòng)，那么，系統(tǒng)每次上電或復(fù)位后，首先開始運(yùn)行的就是Bootloader。使用ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境建立Bootloader應(yīng)用工程，添加必需的文件并設(shè)置好編譯環(huán)境，如Bootloader的RO_Base設(shè)置為0x0，RW_Base設(shè)置為0x33ff0000等，調(diào)試并最后生成可執(zhí)行二進(jìn)制文件，通過JTAG接口把Bootloader燒寫到Nandflash的第0個(gè)block地址開始處，通過usb下載工具把操作系統(tǒng)燒寫到第2個(gè)block地址開始處，復(fù)位啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行后的結(jié)果如圖4所示，該程序用于基于uCOS操作系統(tǒng)的圖像采集系統(tǒng)的引導(dǎo)。用同樣的方法燒寫不同的操作系統(tǒng)內(nèi)核應(yīng)用程序，試驗(yàn)結(jié)果每一次表明：Bootloader運(yùn)行良好，啟動(dòng)加載內(nèi)核快，且簡(jiǎn)單、實(shí)用、可靠。
 
圖4  Bootloader引導(dǎo)運(yùn)行的系統(tǒng)

5 結(jié)論
Bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，因此要根據(jù)具體的硬件和軟件需求分析來進(jìn)行移植或設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的Bootloader完成的主要功能包括：試驗(yàn)板硬件的初始化、串口初始化、時(shí)鐘頻率修改以及從Nandflash復(fù)制操作系統(tǒng)到SDRAM中運(yùn)行等，并通過PC機(jī)上的超級(jí)終端顯示了正確的啟動(dòng)運(yùn)行信息，且可執(zhí)行代碼只有3K左右。因此，本文所詳細(xì)描述的Bootloader啟動(dòng)運(yùn)行的全過程，對(duì)理解、設(shè)計(jì)和移植Bootloader具有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)：
[1] 徐宇清，黃彥平等.S3C44B0X的Bootloader技術(shù)分析[J]. 上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（4）：369-372.
[2]SAMSUNG公司. Samsung s3c2410a User Manual v1.0.pdf.
[3]SAMSUNG公司.K9F1208U0M-YCB0.pdf.
[4] http://www.icpdf.com/pdf/HY57V561620.htm. HY57V561620(L)T.pdf.
[5]張崳編著.32位嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005，7.

[作者簡(jiǎn)介] 
郝衛(wèi)東（1964-），男，漢族，河北定縣人，桂林電子科技大學(xué)高級(jí)工程師,碩士研究生導(dǎo)師，主要從事機(jī)器人技術(shù)和醫(yī)療電子方面的研究。

劉溯奇（1977-），男，漢族，廣西桂林人，廣西桂林電子科技大學(xué)機(jī)器人中心碩士研究生，主要從事機(jī)器人技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用方面的研究。