Bootloader的学习.docx

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Bootloader的学习

Bootloader 的学习

Bootload:

在操作系统内核运行前运行的一段程序，相当于PC机上的BIOS,用于初始化硬件设备，和建立内存空间的映射，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态。

复位后，从地址0x00000000处取它第一条指令。

典型的嵌入式系统Bootload有Blob（bootloadobject）和U-boot（universalbootloader）

其中U-boot支持ARM,MIPS,X86,Nios，可启动VxWorks，QNX，Linux

在flash里，首先存放bootload,其次启动参数，是内核和根文件系统

bootloader分两个部分，stage1和stage2:

stage1:

汇编部分执行简单的硬件初始化.

1.硬件设备初始化

2.为加载bootloader的stage2准备RAM空间

3.设置好堆栈

4.跳转到stage2的C入口

stage2:

C语言部分负责复制数据，设置启动参数和串口通信等

1.初始化本阶段使用到的硬件设备

2.检测系统内存映像

3.将kernel映像和根文件映像从flash读到RAM中

4.为内核设置启动参数

5.调用内核

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Mini2440的Bootloader结构分析

1.     Importsomeheadfiles.

GEToption.inc；GET=include

GETmemcfg.inc

GET2440addr.inc

option.inc顾名思义是可以改变的配置选项，其中包括一些起始地址，初始状态，总线宽度，时钟频率。

如果以后对系统的设置有变化，直接修改”option.inc”中的配置即可，无需大量改动bootloader.

对mini2440中option.inc分析如下：

_STACK_BASEADDRESSEQU0x33ff8000;STACK的起始地址

_MMUTT_STARTADDRESSEQU0x33ff8000;定义MMU表基地址

_ISR_STARTADDRESSEQU0x33ffff00;

补充MMU知识：

a.       什么是MMU

MMU–MemoryManagementUnit缩写，用来管理virtualmemory和physicalmemory的控制线路。

一台256M的32bitx86主机来说，virtualmemory范围为0~0x（2^32-1）=0xFFFFFFFF（4G）,而physicalmemory范围为0~0xFFFFFFF（256M）

在没有使用virtualmemory的机器上，address被送到内存总线上，是具有同地址的physicalmemory被读写；而使用了virtualmemory的情况下，address不是直接被送到内存addressbus上，而是送到了memorymanagementunit（MMU）,把virtualaddress映射到physicaladdress上。

大多数使用virtualmemory的系统都使用一种称为分页（paging）机制。

Virtualaddressspace划分成page的单位，而相应的physicaladdressspace也被进行划分，单位是页帧（）.Page和的大小必须相同。

如上一例256M32bit的机器虽然只有256M的physicaladdress,但是可以运行4G的program,但该program不能一次性调入内存运行。

首先，这台机器必须有一个大到可以存放4G的程序外部存储器（如flash）,以保证程序片段在需要时可以被调用。

如此例，page大小为4K，与page相同，因为内存和外围存储器之间的传输总是以page为单位的。

对应的4G的virtualaddress存储器和256M的physicaladdress存储器，分别包含了1Mpage和4K。

b.       MMU的功能

TranslatingvirtualaddresstoPhysicaladdress

现代的多用户，多进程的操作系统，需要MMU,才能使每个用户进程都能拥有自己独立的地址空间。

使用MMU,操作系统划分一段地址区域，在这块地址区域中，每个进程看到的内容都不一样。

例如MICROSOFTWINDOWSOperatingsystem将地址范围4M-2G划分为用户地址空间，进程A在地址0x400000（4M）映射了可执行文件，进程B在相同地址映射可执行文件。

如果进程A读地址0x400000，读到的是A的可执行文件映射到RAM的内容，而进程B读取地址0x400000时，读到的是B的可执行文件映射到RAM的内容。

这就是MMU在进行地址转换所起的作用。

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Option.inc还包括：

设置初始值：

PLL_ON_START;设置PLL初始状态

ENDIAN_CHANGE;选择ENDIAN，具体值应该根据硬件的设置来定

ENTRY_BUS_WIDTH;配置入口总线宽度

BUSWIDTH;配置GPIO的总线宽度

CPU_SEL;配置ARMchipID

UCLK;配置USBclock（见芯片手册214页）

XTAL_SEL;配置晶振频率

FCLK;配置FLCK

CLKDIV_VAL;设置CLOCK　DIVISION

根据设置CPU_SEL,UCLK,XTAL_SEL,FCLK,CLIKDIV_VAL是用“if”语句来配置相应的参数如M_MDIV,M_PDIV,M_SDIV,U_MIDV,U_PDIV,U_SDIV

公式如下：

Mpll=（2*m*Fin）/（p*2^s）

m=M（thevaluefordividerM）+8,p=P（thevaluefordividerP）+2

CLOCKandPOWERMANAGEMENT知识补充（见芯片手册208页）：

参考:

a.       Overview

                    i.           TheClock&Powermanagementblockconsistsofthreeparts:

clockcontrol,USBcontrol,andPowerControl.

                   ii.           S3C2440A有两个PLL（phaselockedloop,锁相环，可以实现倍频，S3C2440的高频就是由此电路产生）.其中一个PLL,即MPLL（mainPLL）,用来产生三种时钟信号：

FCLK（给CPU核供给的时钟信号，也就是我们所说的S3C2440的CPU主频,相应的，1/FCLK即为CPU实践中周期）,HCLK（为AHBbusperipherals供给时钟信号，AHB为advancedhigh-performancebus）,PCLK（为APBbusperipherals供给时钟信号）.另一个PLL用来产生USBBlock（48MHz）.在这里，需要了解一下AMBAsystemarchitecture了，可以到下载相关资料。

简单来说，AMBA使一种协议，这种协议成为片上组织通信的事实上的标准。

英文描述如下：

TheAMBAprotocolisanopenstandard,on-chipbusspecificationthatdetailsastrategyfortheinterconnectionandmanagementofalblocksthatmakesupasystem-on-chip（SoC）.Itfacilitates“right-first-time”developmentofembeddedprocessorswithoneormoreCPU/signalprocessorsandmultipleperipherals.TheAMBAprotocolenhancesareusabledesignmethodologybydefiningacommonbackboneforSoCmodules.

需要知道的是，AMBA总线是ARM提出的一种结局方案，它并非唯一的规范，但是因为ARM的广泛使用，AMBA总线也就是事实上的规范了。

现在AMBA总线最新为AMBA3specification版本，包括了AMBA3AXIinterface，AMBA3AHBinterface,AMBA3APBinterface，AMBA3ATBinterface.而S3C2440A还只能支持AMBA2specification，这个版本包括含AMBA2AHBinterface，AMBA2APBinterface.也就是在S3C2440A的框图中看到的良好总总线接口。

需要注意的是，这两种总线所连接的外设是有区别的。

AHB总线连接高速外设，低俗外设这通过APB总线相互结节。

显然，对不同的总线上的外设，应该使用不同的时钟信号，AHB总线度应HCLK，APB总线对应PCLK。

那么实现就应该弄清楚，每条总线对应的外设有哪些，这样在设置好时钟信号后，对应外设的初始化值就要依此而确定了。

AHBbus上的外设有LCDcontroller（CONT代表controller，控制器）,USBHostCONT,ExtMaster,NandCONT和Nandflashbootloader,busCONT,interruptCONT,powermanagement,memoryCONT（SRAM/NOR/SDRAM等）

APBbus上的外设有UART,USBdevice,SDI/MMC,WatchDogTimer,busCONT,SPI,IIC,IIS,GPIO,RTC,ADC,Timer/PWM.

                 iii.           主时钟源来自外部晶振或者外部时钟。

复位后，MPLL虽然默认启动，但是如果不向MPLLCON中写入value,那么外部晶振直接作为系统时钟，即便是使用默认值或者保持值不变，在复位后，必须软件写入同一个值。

EDUKIT-III的外部晶振有两个，一个用于系统时钟，为12MHz；一个哟功能RTC，为2.768KHz.以前试验没有像MPLLCON写入数据，所以系统时钟都是12MHz。

从这里可以发现一个问题，如果晶振开始没有焊上，那么系统是无法正常启动的。

因为按照上述规则，复位后还没有写入MPLLCON，这是又没有可以使用的时钟源，所以不会启动。

也就是硬件完成后，这个12MHz的晶振时一定要焊上的，才能进行后续的硬件测试工作。

                    iv.           USBClockControl

USBhostinterfaceandUSBdeviceinterfaceneeds48MHzclock.IntheS3C2440A,theUSBdedicatedPLL（UPLL）generates48MHzforUSB.UCLKdoesnotfeduntilthePLL（UPLL）isconfigured.

b.       CLOCK配置

Power-OnReset（XTIpll）

Figure7-4showstheclockbehaviorduringthepower-onresetsequence.Thecrystaloscillatorbeginsoscillationwithinseveralmilliseconds.WhennRESETisreleasedafterthestabilizationofOSC（XTIpll）clock,thePLLstartstooperateaccordingtothedefaultPLLconfiguration.However,PLLiscommonlyknowntobeunstableafterpower-onreset,soFinisfeddirectlytoFCLKinsteadoftheMpll（PLLoutput）beforethesoftwarenewlyconfiguresthePLLCON.EveniftheuserdoesnotwanttochangethedefaultvalueofPLLCONregisterafterreset,theusershouldwritethesamevalueintoPLLCONregisterbysoftware.

ThePLLrestartsthelockupsequencetowardthenewfrequencyonlyafterthesoftwareconfiguresthePLLwithanewfrequency.FCLKcanbeconfiguredasPLLoutput（Mpll）immediatelyafterlocktime.

这个主要是基于PLL的特点。

简单的描述就是，上电复位后，几个ms后晶振起振。

当OSC时钟信号稳定之后，nRESET电平拉高（这是硬件自动检测过程）。

这个时候，PLL开始按照默认的PLL配置开始工作，但是特苏醒就在于PLL在上电复位后开始时不稳定的，所以S3C2440设计为把Fin在上电复位后直接作为FCLK,这时MPLL时不起作用的。

如果想要使MPLL起作用，那么就要写入MPLLCON寄存器的值，然后等待LOCKTIME时间后，新的FCLK开始工作。

下面把这些步骤分开来描述，软件步骤部分结合程序进行。

                    I.           上电几个ms后，晶振输出稳定。

FCLK=晶振频率。

nRESET恢复高电平后，cpu开始执行指令，这完全是硬件操作，不需要软件设置。

                   II.           第一步软件工作：

设置PMSdividercontrol,也就是设置MPLLCON寄存器。

关于PMS,可以看到Figure7-2寄存器MPLLCON的设置，其实有一定规则的，并非你想要的每个FCLK频率都可以得到。

官方推荐了一个表PLLVALUESELECTIONTABLE,要按照这个进行。

否则的话，就需要自己按照公式推算，但是mizi公司并不保证你的设置合适的。

所以，如果要工作在200MHz,还是按照vivi的推荐值即可。

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然后再看memcfg.inc

配置ARMmemory寄存器

BANK1~BANK7的BWSCON

B1_BWSCON

B1_Tacs

B1_Tcos

B1_Tacc

B1_Tcoh

B1_Tah

B1_Tacp

B1_PMC

如果是SDRAM,则还需设置REFRESH寄存器

ARMmemorycontrol知识补充：

a）      OverviewFeature

-Little/Bigendian（selectedbysoftware）

-Addressspace:

128Mbytesperbank（total1GB/8banks）

-Programmableaccesssize（8/16/32-bit）forallbanksexceptbank0（16/32-bit）

-Total8memorybanks

SixmemorybanksforROM,SRAM,etc.

RemainingtwomemorybanksforROM,SRAM,SDRAM,etc.

-Sevenfixedmemorybankstartaddress（BANK0~BANK6）

-Oneflexiblememorybankstartaddressandprogrammablebanksize（BANK7）

-Programmableaccesscyclesforallmemorybanks

-Externalwaittoextendthebuscycles

-Supportingself-refreshandpowerdownmodeinSDRAM

学过8051的都还有印象，片内有ROM和RAM的存储器，并且ROM和RAM都是分别从0地址开始，还可以外接存储器，用movx命令读取数据。

而ARM则不同了，ARM只是处理器，自身不带存储器，都是外接存储器，不管是ROM还是RAM,统一编址，地址都是从连续的，从0地址开始，而不是分别从0地址开始，到0x40000_0000，分为8个bank，.每个bank挂上一个存储器，7个bank的起始地址是固定的。

ARM开机后从地址0开始运行。

b）      BWSCONregister分析

BWSCON是一个32位的register,对应了BANK0-BANK7,每个BANK使用4位。

这4位分别表示：

STx:

启动/禁止SDRAM的数据掩码引脚，对于SDRAM,此位为0；对于SRAM，此位为1。

WSx:

是否使用存储器的WAIT信号，通常设为0

DWx:

设置存储器的BUSWIDTH,00=8-bit,01=16-bit,10=32-bit,11=reserved

BANK0对应的4位，是由硬件跳线决定，read-only

c）       SDRAM知识补充

DRAM（DynamicRandomAccessMemory）需要不断Refresh才能保住数据，因此它是DRAM最终的要的操作。

那么要隔多长时间重复一次刷新呢？

目前公认的标准是，存储体中的电容的数据有效保存期是64ms，也就说每一行刷新的循环周期是64ms。

这样刷新的速度是：

行数量/64ms.刷新操作分为两种：

自动刷新（AutoRefresh,简称AR）与自刷新（SelfRefresh,简称SR）。

不论是何种刷新方式，都不需要外部提供地址信息，因为这是一个内部的自动操作。

对于AR,SDRAM内部有一个行地址生成器（也称刷新计数器）用来自动的依次生成行地址。

由于刷新涉及所有的L-BANK,因此在刷新过程中，所有L-BANK都停止工作，而每次刷新所占用9个时钟周期,之后就可进入正常的工作状态，也就是说在这9个时钟时期内，所有工作指令只能等待而无法执行。

SR则主要用于休眠模式低功耗状态下的数据保存，这方面最著名的应用就是STR（SuspendtoRAM,休眠挂起于内存）。

在发出AR命令时，将CKE置于无效状态，就进入SR模式，此时不再依靠系统时钟工作，而是根据内部的时钟进行刷新操作。

d）      BANKCON0~BANKCON5寄存器设置

Tacs:

Addressset-uptimebeforenGCSn

Tcos:

Chipselectionset-uptimebeforenOE

Tacc:

Accesscycle

Tcoh:

ChipselectionholdtimeafternOE

Tcah:

ChipselectionholdtimeafternOE

Tacp:

Pagemodeaccesscycle@Pagemode

PMC:

Pagemodeconfiguration

注释：

Tacs,Tcos,Tacc,Tcoh,Tcah,Tacp,PMC值是由存储器的datasheet决定的，里面有各时钟的极限值；顺便说说nWAIT引脚，WSn是设定该管教是否起作用的，如果起作用必须将储存器（或者其他设备）相应的信号输入给nWAIT，如果年WAIT引脚没有用到时，必须接上，否则会将处理器琐死。

BANKCON6~BANKCON7寄存器设置则不同，首先需要确定memory的type

MT:

Determinethememorytype

如果设置ROM或者SRAM,则设置Tacs,Tcos,Tacc,Tcoh,Tcah,Tacp,PMC

如果设置SDRAM,则设置

Trcd:

RAStoCASdelay

SCAN:

Columnaddressnumber

REFRESH寄存器，用于SDRAMrefreshcontrolregister

最后一个headfile是特殊寄存器的地址定义

MemoryControl,Clock&PowerManagement,Interrupt,I/Oport,WatchDogTimer

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又找到好的文章，哈哈，不用自己一句一句地写了

转贴：

DreamChaser修改并添加

工程里面的头文件2410Init.s包括了板子上电后的初始话，具体有几个步骤：

讲述S3C2410启动程序设计

1.      屏蔽所有中断，关看门狗。

2.      根据工作频率设置PLL寄存器

3.      初始化存储控制相关寄存器

4.      初始化各模式下的栈指针

5.      设置缺省中断处理函数

6.      将数据段拷贝到RAM中，将零初始化数据段清零

7.      跳转到C语言Main入口函数中

要看懂这个头文件是比较难的，我跟DVD视频的教程看了两遍，弄懂了一些，视频上讲的是ARM7S3C44B0的Init.s但我觉得和2410的差不多。

我将这个程序注释了一下。

可能有些地方不是很正确，只提供参考。

;=========================================

;NAME:

2410INIT.S

;DESC:

Cstartupcodes

;      Configurememory,ISR,st