原创自己动手编写嵌入式Bootloader之1.docx
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原创自己动手编写嵌入式Bootloader之1
第一部分：
基本功能流程
CPU上电后会从IO空间的某地址取第一条指令。
但此时：
PLL没有启动，CPU工作频率为外部输入晶振频率，非常低；CPU工作模式、中断设置等不确定；存储空间的各个BANK（包括内存）都没有驱动，内存不能使用。
在这种情况下必须在第一条指令处做一些初始化工作，这段初始化程序与操作系统独立分开，称之为bootloader。
实际上，很少有必要自己写一个Bootloader，因为U-Boot已经强大到能够满足各种需要。
但是强大必然复杂，一个初学者想要分析U-Boot的源代码，还是有些难度的。
出于学习的目的，我写了这个史上最简单的启动加载器，它只包含最基本的功能，却囊括了一个嵌入式Bootloader应该有的核心和精华。
我把这个启动加载器命名为S-Boot，是SimpleBootloader的缩写，亦可进一步简称为SB。
使用的实验环境为OK2440开发板，板上处理器为S3C2440A，有64M内存，Nand存储器为K9F1208，64M。
网口芯片为CS8900A。
我们要实现的功能是：
从串口下载Linux内核映像到RAM；从网口下载Linux内核映像到RAM；从RAM启动内核挂载NFS根文件系统。
1.第一阶段的汇编代码：
start.S
一个嵌入式Bootloader最初始部分的代码几乎必须是用汇编语言写成的，因为开发板刚上电后没有准备好C程序运行环境，比如堆栈指针SP没有指到正确的位置。
汇编代码应该完成最原始的硬件设备初始化，并准备好C运行环境，这样后面的功能就可以用C语言来写了。
对我们的S-Boot来说，上电后的起始运行代码是start/start.S。
.text
.global_start
_start:
bReset@0x00:
发生复位异常时从地址零处开始运行
bHandleUndef@0x04:
未定义指令中止模式的向量地址
bHandleSWI @0x08:
管理模式的向量地址，通过SWI指令进入此模式
bHandlePrefetchAbort@0x0C:
指令预取终止导致的异常的向量地址
bHandleDataAbort @0x10:
数据访问终止导致的异常的向量地址
bHandleNotUsed @0x14:
保留
bHandleIRQ @0x18:
中断模式的向量地址
bHandleFIQ @0x1C:
快中断模式的向量地址
这里，汇编指示符.text表明以下内容属于代码段，.global_start指明_start是全局可访问的符号（Givethesymbolexternallinkage）。
按照ARM920T的规定，从地址0x00到0x1C放置异常向量表，向量表每个条目占四个字节，正好可以放置一条跳转指令，跳转到相应异常的服务程序中去。
在S-Boot中没有使用中断，所以除Reset异常外，其它异常的服务程序都可简单地写个死循环。
Reset异常是系统上电后自动触发的，所以我们的代码都写在Reset的服务程序里面。
实际上，异常向量表不一定非要位于地址0x00处，CP15协处理器中的c1寄存器的第13位用来控制异常向量表的起始地址。
该位为0时，异常向量表位于低地址0x00处；该位为1时，异常向量表位于高地址0xFFFF0000处。
我们没有必要改变这个位的值，使用默认的低地址就行了。
Reset:
mrsr0,cpsr @setcputoSVC32mode
bicr0,r0,#0x1F
orrr0,r0,#0xD3
msrcpsr,r0 @cpsr=11x10011,IRQ/FIQdisabled
代码最初始的任务是设置CPU工作在SVC32模式，关闭所有中断，禁用看门狗。
实际上，即使不设置工作模式，CPU在复位之后将自动工作在管理模式。
在整个S-Boot运行期间，我们没有使用中断，也没有改变CPU工作模式，它将一直工作在SVC32模式。
MMU、ICache、DCache的打开和关闭都是由CP15协处理器的c1寄存器控制的。
实际上在复位之后这三者都是自动关闭的，所以省略了关闭它们的代码。
S3C2440A的PSR寄存器（ProgramStatusReguster）中每个Bit位的含义如图1所示。
Bit4~Bit0为模式位，用来设置CPU工作模式，现在只要知道M[4:
0]=10011表示SVC32模式就行了。
Bit5为状态位，T=0表示工作在ARM状态，T=1表示工作在Thumb状态，默认为0，不需要改变。
Bit6为快速中断禁止位，F=1为禁止快速中断，F=0为使能快速中断。
Bit7为中断禁止位，I=1为禁止中断，F=0为使能中断。
其它Bit位暂时可以不必理会。
mrs和msr是在PSR寄存器和其它寄存器间传递数据的指令。
如：
mrsr0,cpsr把cpsr的值传送到r0中，msrcpsr,r0把r0的值传送到cpsr中。
bic是位清零（BitClear）指令，bicr0,r0,#0x1F意思是把r0的Bit[4:
0]位清零（由0x1F指示），然后把结果写入r0中。
orr是按位求或指令，orrr0,r0,#0xD3表示把r0的Bit7,Bit6,Bit4,Bit1,Bit0置为1，其它位保持不变。
执行完上述操作后，cpsr中的I=1,F=1,T保持不变（默认为0），M[4:
0]=10011，意思是禁止IRQ，禁止FIQ，工作在ARM状态，工作在SVC32模式。
ldrr0,=0x53000000
movr1,#0x0
strr1,[r0]@disablewatchdog
禁用看门狗更简单，因为WTCON寄存器的地址为0x53000000，直接向该寄存器写0即可。
到目前为止，CPU工作在外接晶振12MHz频率之下。
使用以下代码设置PLL，提升工作频率。
ldrr0,=0x4C000014@CLKDIVNregister
movr1,#0x05@FCLK:
HCLK:
PCLK=1:
4:
8
strr1,[r0]
mrcp15,0,r0,c1,c0,0@ifHDIVNNot0,mustasynchronousbusmode
orrr0,r0,#0xC0000000@seeS3C2440AmanualP7-9
mcrp15,0,r0,c1,c0,0
ldrr0,=0x4C000004@MPLLCONregister
ldrr1,=0x0005C011@（（92<<12）|（1<<4）|
（1））
strr1,[r0]@FCLKis400MHz!
最后的结果是，FCLK=400MHz，HCLK=100MHz，PCLK=50MHz。
@SDRAMInit
movr1,#0x48000000@MEM_CTL_BASE
adrlr2,mem_cfg_val
addr3,r1,#52
1:
ldrr4,[r2],#4@读取设置值，并让r2加4
strr4,[r1],#4@将此值写入寄存器，并让r1加4
cmpr1,r3@判断是否设置完所有13个寄存器
bne1b@若没有写成，继续
设置存储控制器。
ldrsp,=0x32FFF000@设置堆栈
blnand_init@初始化NANDFlash
@nand_read_ll函数需要3个参数：
ldrr0,=0x33000000@1.目标地址=0x30000000，这是SDRAM的起始地址
movr1,#0@2.源地址=0，S-Boot代码都存在NAND地址0开始处
movr2,#102400@3.复制长度=102400（bytes）
blnand_read@调用C函数nand_read
ldrlr,=halt_loop@设置返回地址
ldrpc,=main@b指令和bl指令只能前后跳转32M的范围，故使用向pc赋值的方法进行跳转
halt_loop:
bhalt_loop
这里把所有的代码从Nand拷贝到RAM中，然后跳转到main函数去执行。
此后程序便在RAM中运行了。
但是到目前为止，前面的程序都是在SteppingStone里运行的。
所谓SteppingStone，是指在S3C2440A的内部的4KB的RAM缓存，它总是映射到地址0x00处。
硬件加电后会自动将NandFlash中的前4KB的数据拷贝到SteppingStone中，然后从地址0x00处开始运行。
如果代码足够小（小于4KB）的话，那只在SteppingStone中运行，加载Linux内核到内存即可。
但通常代码肯定会大于4KB。
所以Bootloader一般分为两部分，Stage1的代码在SteppingStone中运行，它会把Stage2的代码拷贝到RAM中，并跳转到RAM中执行；Stage2的代码在RAM中执行，它可以完成加载内核及其它任何复杂的功能。
因为Stage2的起始位置不好确定，为了方便，我们把所有的代码都拷贝到RAM中了。
C函数nand_read有三个参数，第一个参数为目的地起始地址，第二个参数为源起始地址，第三个参数为要复制的数据长度，以字节为单位。
根据ATPCS函数调用规则，三个参数分别用寄存器r0，r1，r2来传递。
我们在内存的0x33000000处存放Bootloader，复制长度根据编译生成的S-Boot.bin映像文件大小，向上取512字节的整数倍。
这里先来规划一下内存空间的分配。
RAM的地址范围是从0x30000000到0x34000000共64MByte。
把S-Boot和Kernel放在高地址处，S-Boot从0x33000000开始，预留8MByte的空间，内核从0x33800000开始，可供使用的空间也是8MByte。
因栈空间是向下生长的，我们在S-Boot下面预留4096Byte的空闲区域，然后向下为栈空间，故栈指针SP初始化为0x32FFF000。
其实留不留空闲区域是无所谓的，这里只是为了把二者更明显地区分开。
我们只设置SVC模式下的SP，不使用CPU的其它工作模式，所以也没必要设置其它模式下的栈指针。
另外，程序中不使用动态内存分配，故而也不必分配堆空间。
2.nand读操作
在编译连接时，我们把上述start.S代码放在生成的二进制映像文件的最开始位置，因而也被烧写到NandFlash的最起始位置，因而会被自动拷贝到SteppingStone里运行。
start.S要完成的任务之一，是把S-Boot的所有代码从NandFlash拷贝到内存中，这里需要对NAND的读操作，因此对NAND的初始化和读操作要在第一阶段写好。
以开发板上使用的K9F1208为例，每个页（page）为512Byte数据和16Byte校验，每个块（Block）为32个页，即16KByte数据和512Byte校验。
NandFlash只用8根线与CPU的DATA0-7连接，位宽为8位，不管是数据、地址或控制字都通过这8根线传递，如果读写数据的话每次只能传输一个字节数据。
NandFlash的操作通过NFCONF、NFCMD、NFADDR、NFDATA、NFSTAT和NFECC六个寄存器来完成。
在S3C2440A数据手册第218页可以看到读写NandFlash的操作时序：
1. 通过NFCONF寄存器配置NandFlash；2.写NandFlash命令到NFCMD寄存器；3.写NandFlash地址到NFADDR寄存器；4. 在读写数据时，通过NFSTAT寄存器获得NandFlash的状态信息。
应该在读操作前或写操作后检查R/nB信号（Ready/Busy信号）。
初始化NANDFlash：
S3C2440的NFCONF寄存器用来设置时序参数TACLS、TWRPH0、TWRPH1，设置数据位宽；还有一些只读位。
TACLS、TWRPH0、TWRPH1这三个参数控制的是NandFlash信号线CLE/ALE与写控制信号nWE的时序关系。
注意，寄存器值转换成实际的时钟周期值时，TACLS不需加1，而TWRPH0和TWRPH1需要加1。
比如NFCONF寄存器中设置TACLS=1，TWRPH0=3，TWRPH1=0，意思是时序图中TACLS=1个HCLK时钟，TWRPH0=4个HCLK时钟，TWRPH1=1个HCLK时钟。
voidnand_init（void）
{
//时间参数设为:
TACLS=0TWRPH0=3TWRPH1=0
NFCONF=0x300;
/*使能NANDFlash控制器,初始化ECC,禁止片选*/
NFCONT=（1<<4）|（1<<1）|（1<<0）;
/*复位NANDFlash*/
NFCONT&=~（1<<1）;//发出片选信号
NFCMMD=0xFF;//复位命令
s3c2440_wait_idle（）;//循环查询NFSTAT位0，直到它等于1
NFCONT|=0x2;//取消片选信号
}
读操作：
读操作也是以页（512Byte）为单位进行的。
在初始上电时，器件进入缺省的“读方式1模式”。
在这一模式下，页读操作通过将0x00写入指令寄存器，接着写入3个地址（1个列地址和2个行地址）来启动。
一旦页读指令被器件锁存，下面的页读操作就不需要再重复写入页读指令了。
写入页读指令和地址后，处理器可以通过对信号线R//B的分析来判断页读操作是否完成。
如果信号为低电平，表示器件正忙；如果信号为高电平，表示器件内部操作完成，要读取的数据被送入了数据寄存器。
外部控制器可以再以50ns为周期的连续/RE脉冲信号的控制下，从IO口依次读出数据。
连续页读操作中，输出的数据是从指定的列地址开始，直到该页最后一个列地址的数据为止。
for（i=start_addr;i<（start_addr+size）;）
{
NFCMMD=0;//发出READ0命令
s3c2440_write_addr（i）;//WriteAddress
s3c2440_wait_idle（）;//循环查询NFSTAT位0，直到它等于1
for（j=0;j {
*buf=（unsignedchar）NFDATA;
buf++;
}
}
缺点：
没有使用ECC校验和纠错；没有使用坏块检查；
3.main函数
串口初始化，以便能够向用户输出一些信息；网口初始化，以便能够从主机下载内核映像；输出一些菜单，以便用户选择执行所需要的功能。
比如，用户可以选择从串口或网口下载内核映像到RAM中某个地址，然后运行这个内核。
关于下载内核映像的实现，在后文会详细介绍。
这里只看当内核映像已经存在于RAM中时，怎样才能把这个内核启动起来。
4.启动参数的传递
启动Linux内核之前需要设置好一些必要的启动参数，这些参数以TAG列表的形式传递给内核。
所谓TAG列表，就是多个TAG在内存空间中按顺序排列。
每个TAG，其实都是一个结构体，每个结构体中又包含了一个头部结构体和一个内容结构体称。
头部结构体指明了本TAG的类型、占用空间大小；所谓TAG的类型，就是一个宏定义，用一个确定的整数来识别该标记。
内容结构体包含了该TAG的具体内容。
下面以具体的例子做说明。
在atag.h中就有：
#defineATAG_CORE0x54410001
#defineATAG_MEM0x54410002
#defineATAG_CMDLINE0x54410009
#defineATAG_NONE0x00000000
这些都是TAG的类型，注意这些整数跟地址没有关系，只是一个用来识别标记类型的符号而已。
每个Tag都用结构体表示，包含TagHeader头结构体以及随后的参数值数据结构。
如ATAG_CORE：
structAtag{
structTagHeader stHdr;
structTagCorestCore;
};
其中包含两个结构体。
第一个结构体TagHeader含两个整型变量，用以表示本结构体的长度、标记类型；nSzie赋值为头部TagHeader和数据TagCore的大小之和，注意是以字（即4字节）为单位；ulTag就赋值为先前定义的宏ATAG_CORE。
第二个结构体就是实际的数据了。
structTagHeader{
UINT32nSize;
UINT32ulTag;
};
structTagCore{
UINT32ulFlags;
UINT32nPageSize;
UINT32ulRootDev;
};
由于每个Tag都由一个TagHeader加一个数据部分组成，因此通常的做法是使用Struct和Union相结合来定义：
structAtag{
structTagHeaderstHdr;
union{
structTagCorestCore;
structTagMem32stMem;
structTagVideoTextstVideoText;
structTagRamDiskstRamDisk;
structTagInitrdstInitRd;
structTagSerialnrstSerialNr;
structTagRevisionstRevision;
structTagVideolfbstVideoLfb;
structTagCmdlinestCmdLine;
};
};
其中涉及到的所有数据结构均可在Linux内核源码的include/asm/setup.h头文件找到，我们把这些定义放在Bootloader的头文件atag.h中。
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，在我们的S-Boot中对应的头文件为atag.h。
在嵌入式Linux系统中，通常需要由BootLoader设置的常见启动参数有：
ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等。
向内核传递参数的方法，先在内存中某个起始地址开始，连续存放多个Tag,组成Tag列表。
列表中的每个Tag包括头部TagHeader和数据结构体。
按规定，第一个Tag必须是ATAG_CORE，最末一个Tag必须是ATAG_NONE，而且中间必须包含至少一个ATAG_MEM。
注意的是末尾的ATAG_NONE只包括头部，没有数据内容。
如图所示。
在编程时先定义好起始地址，然后用一个指针，每设置完毕一个Tag的内容就向后移动相应的长度，然后设置下一个Tag内容，以保证各个Tag的连续存放。
下面具体说明几个关键Tag的数据区域内容的设置。
structTagCore结构体已经在前面列出，它包含三个整型变量，ulFlags一般设为零，nPageSize表示分页内存管理中每一页的大小，一般为4096字节，ulRootDev是系统启动的设备号，设为零即可，因为通常在后面的命令行参数Cmdline中覆盖这个设置。
StructTagMem用来描述系统的物理内存地址空间，定义如下：
structatag_mem{
UINT32nSize;/*sizeofthearea*/
UINT32ulStart;/*physicalstartaddress*/
};
其中nSzie表示内存的总大小，ulStart为内存的起始物理地址，二者结合告诉内核系统可用的物理内存空间是哪些。
StructTagCmdline结构体的定义就更简单了，只是一个字符数组，初始长度为1，如下所示：
structTagCmdline{
charcCmdLine[1];/*thisistheminimumsize*/
};
实际上命令行参数不可能只有一个字节，我们通常使用strcpy函数把命令行参数拷贝到cCmdLine地址处，在结尾附加一个字符串结束符’\0’，然后用strlen函数获得cCmdLine数组的实际长度（包括字符串结束符）。
常见的命令行参数如：
root=/dev/mtdblock2init=/linuxrcconsole=ttySAC0,115200mem=65536。
我们知道的是，Bootloader以标记列表的形式向内核传递的参数，大概有10种不同类型的Tag，而命令行参数只是其中的一种。
其它需要设置的Tag包括ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等，此处不再详细介绍。
在我们的S-Boot中设置了ATAG_CORE，ATAG_MEM，ATAG_CMDLINE，ATAG_NONE四项。
其中CmdLine使用的是：
constchar*CmdLine="root=/dev/nfsnfsroot=192.168.1.249:
/home/hongwang/mkrootfs/rootfsip=192
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