基于Nandflash的Bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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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(dòng)時(shí)運(yùn)行非常短時(shí)間,但對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來說,這是一個(gè)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(gè)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(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)。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(shí)際上也依賴于具體嵌入式板級(jí)設(shè)備配置,也就是說,對(duì)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(tái)簡介
本系統(tǒng)采用是SamSung公司S3C2410處理器[ 2 ],它是專門為移動(dòng)手持設(shè)備提供高性價(jià)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(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(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)。
2 存儲(chǔ)空間分布和映射圖
硬件平臺(tái)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(jì)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(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(gè)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(duì)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(shí)現(xiàn),以達(dá)到短小精悍目,也就是前面說啟動(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)雜功能,而且代碼會(huì)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(shí)鐘頻率;(5) 對(duì)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(dòng)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(diǎn);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(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 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(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(shí)現(xiàn),但省略了一些具體細(xì)節(jié),包括從串口打印啟動(dòng)、交互、調(diào)試信息和一些具體函數(shù)實(shí)現(xiàn)。一些具體函數(shù)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(chǔ)器ID號(hào)
ReadImageFromNandflash();//把存儲(chǔ)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(shí)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(gè)block開始拷貝內(nèi)核,第0個(gè)用于存儲(chǔ)本文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(gè)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(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
{ //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(gè)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(yàn)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(dòng),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(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(yàn)結(jié)果每一次表明:Bootloader運(yùn)行良好,啟動(dòng)加載內(nèi)核快,且簡單、實(shí)用、可靠。
5 結(jié)論
Bootloader設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是一個(gè)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(jì)。本文設(shè)計(jì)Bootloader完成主要功能包括:試驗(yàn)板硬件初始化、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)上超級(jí)終端顯示了正確啟動(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Bootloader啟動(dòng)運(yùn)行全過程,對(duì)理解、設(shè)計(jì)和移植Bootloader具有一定參考意義。