基于Nandflash的Bootloader的設(shè)計與實現(xiàn)

0 引言

Bootloader通常稱為系統(tǒng)引導(dǎo)加載程序，是系統(tǒng)加電或復(fù)位后執(zhí)行第一段代碼[ 1 ]。一般它只在系統(tǒng)啟動時運(yùn)行非常短時間，但對于嵌入式系統(tǒng)來說，這是一個非常重要系統(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)存空間映射圖，從而將系統(tǒng)軟硬件環(huán)境帶到一個合適狀態(tài)，以便為調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確環(huán)境，并同時提供基本輸入、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現(xiàn)。每種不同體系結(jié)構(gòu)處理器都有不同Bootloader。除了依賴于處理器體系結(jié)構(gòu)以外，Bootloader實際上也依賴于具體嵌入式板級設(shè)備配置，也就是說，對于兩塊不同嵌入式板而言，即使它們是基于同一種處理器而構(gòu)建，要想讓運(yùn)行在一塊板子上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)代碼。因此有必要分析Bootloader，并理解和找出其中原理和規(guī)律，就其特定嵌入式系統(tǒng)，移植或開發(fā)屬于自己Bootloader。

1 系統(tǒng)硬件平臺簡介

本系統(tǒng)采用是SamSung公司S3C2410處理器[ 2 ]，它是專門為移動手持設(shè)備提供高性價比和高性能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LCD控制器、SDRAM控制器、NANDFLASH控制器、3通道 UART、4通道DMA、4個具有PWM功能計時器和1個內(nèi)部時鐘、8通道10位ADC、觸摸屏接口、I²S總線接口，2個USB主機(jī)接口、1個USB設(shè)備接口，2個SPI接口、SD和MMC卡接口、看門狗定時器、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S3C2410開發(fā)板硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文主要闡述從Nandflash引導(dǎo)操作系統(tǒng)要完成主要任務(wù)和實現(xiàn)方法，至于從Norflash引導(dǎo)操作系統(tǒng)，不打算具體實現(xiàn)。

2 存儲空間分布和映射圖

硬件平臺Nandflash(型號是：K9F1208U0M[ 3])空間為64MB，SDRAM(型號是：HY57V561620[ 4 ],32Mx2)空間為64M(0x30000000-0x33ffffff)，采用如圖2所示存儲空間分布圖，因為Nandflash只能存儲程序，無法運(yùn)行程序。為了能夠從Nandflash啟動，上電復(fù)位時，S3C2410通過硬件邏輯把Nandflash前4KB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中內(nèi)核代碼復(fù)制到 sdram中等工作。

3 Bootloader設(shè)計流程

Bootloader引導(dǎo)程序是硬件上電復(fù)位后首先運(yùn)行代碼，由它來加載嵌入式操作系統(tǒng)。然后由操作系統(tǒng)接管整個系統(tǒng)，進(jìn)行進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、磁盤管理和各個外設(shè)管理等工作。 BootLoader是操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前一段自舉程序，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)存空間映射圖，將系統(tǒng)軟硬件環(huán)境帶到一個由用戶定制特定狀態(tài)，然后加載操作系統(tǒng)內(nèi)核。從操作系統(tǒng)角度來看，Bootloader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 ]，對于依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)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現(xiàn)，以達(dá)到短小精悍目，也就是前面說啟動代碼。而stage2則通常用C語言來實現(xiàn)，這樣可以實現(xiàn)復(fù)雜功能，而且代碼會具有更好可讀性和可移植性。

3.1 Bootloaderstage1

這部分代碼必須首先完成一些基本硬件初始化。為stage2 執(zhí)行以及隨后內(nèi)核執(zhí)行準(zhǔn)備好一些基本硬件環(huán)境。Bootloader stage1 一般通用內(nèi)容包括:

(1)設(shè)置中斷和異常向量;(2)禁止看門狗;(3) 屏蔽所有中斷, 在Boot Loader 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 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 速度和時鐘頻率;(5) 對RAM進(jìn)行初始化, 包括正確設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)存控制器功能寄存器等;(6)初始化LED或UART，就是通過GPIO來驅(qū)動LED,也可以通過初始化UART向串口打印 Bootloader調(diào)試信息來表明系統(tǒng)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Bootloaderstage2準(zhǔn)備RAM空間;(9)設(shè)置好堆棧;(10)跳轉(zhuǎn)到stage2C 入口點;其流程圖如圖3所示。

3.2 Bootloaderstage2

為了讓程序跳入C 語言“main”函數(shù), 我們采用直接跳轉(zhuǎn)到“main”函數(shù)方法, 實現(xiàn)代碼如下:

b Main

進(jìn)入main 函數(shù)后即可以開始本階段stage2 初始化任務(wù), 這包括:

(1) 如果在stage1沒有初始化UART,這時候至少初始化一個串口, 以便和終端用戶進(jìn)行交互，當(dāng)然也可以繼續(xù)點亮或熄滅LED來判斷程序執(zhí)行情況;

(2) 修改時鐘頻率;

(3) 使能指令Cache;

(5) 從串口中打印一些必要交互信息，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, 注冊需要中斷處理函數(shù)等;

(8)打印版本、時間等信息，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中首地址處，至此，完成了Bootloader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ReadImageFromNandflash()函數(shù)具體實現(xiàn)，但省略了一些具體細(xì)節(jié)，包括從串口打印啟動、交互、調(diào)試信息和一些具體函數(shù)實現(xiàn)。一些具體函數(shù)實現(xiàn)可以參考三星評估版源代碼。

void Main(void)

{

JumpAddr=0x30200000; //拷貝內(nèi)核到sdram中起始地址，也是內(nèi)核開始執(zhí)行地址

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存儲器ID號

ReadImageFromNandflash();//把存儲在Nandflash中內(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函數(shù)具體實現(xiàn)如下：[!--empirenews.page--]

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)行開始地址

rINTMSK = BIT_ALLMSK; //屏蔽所有中斷

i=2; //從第2個block開始拷貝內(nèi)核，第0個用于存儲本文bootloader，第1個沒用到

numberblock=2047; //拷貝多少個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block是否是壞block

if (isbad) //是壞block，就進(jìn)行相應(yīng)處理;否則就忽略此處，進(jìn)行下面拷貝

{

i=i 1; //調(diào)整，指向下一個block

isbad=0;

if(i>= numberblock) //判斷是否拷貝完了所需block

{

Launch(JumpAddr); //拷貝完了所需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)實現(xiàn)從Nandflash存儲器中讀取數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中

FMD_ReadSector(i, (U8 *)&Image_Buf, k);

for (j=0;j

{ //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中偏移地址

}

i=i 1; //調(diào)整，指向下一個block

if(i>= numberblock) //判斷是否拷貝完了所需block

{

Launch(JumpAddr); //拷貝完了所需block，就跳到sdram中內(nèi)核開始處

}

}

}

4 試驗結(jié)果

由于三星公司S3C2410集成了Nandflash控制器，它通過硬件邏輯把Nandflash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，那么，系統(tǒng)每次上電或復(fù)位后，首先開始運(yùn)行就是Bootloader。使用ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境建立Bootloader應(yīng)用工程，添加必需文件并設(shè)置好編譯環(huán)境，如BootloaderRO_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第0個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block地址開始處，復(fù)位啟動系統(tǒng)運(yùn)行后結(jié)果如圖4所示，該程序用于基于uCOS操作系統(tǒng)圖像采集系統(tǒng)引導(dǎo)。用同樣方法燒寫不同操作系統(tǒng)內(nèi)核應(yīng)用程序，試驗結(jié)果每一次表明：Bootloader運(yùn)行良好，啟動加載內(nèi)核快，且簡單、實用、可靠。

5 結(jié)論

Bootloader設(shè)計與實現(xiàn)是一個非常復(fù)雜過程，因此要根據(jù)具體硬件和軟件需求分析來進(jìn)行移植或設(shè)計。本文設(shè)計Bootloader完成主要功能包括：試驗板硬件初始化、串口初始化、時鐘頻率修改以及從Nandflash復(fù)制操作系統(tǒng)到SDRAM中運(yùn)行等，并通過PC機(jī)上超級終端顯示了正確啟動運(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Bootloader啟動運(yùn)行全過程，對理解、設(shè)計和移植Bootloader具有一定參考意義。