原创自己动手编写嵌入式Bootloader之1.docx

1、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

2、，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Simple Bootloader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

3、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:b Reset 0x00: 发生复位异常时从地址零处开始运行b HandleUndef 0x04: 未定义指令中止模式的向量地址b HandleSWI 0x08: 管理模式的向量地址，通过SWI指令进入此模式b HandlePrefetchAbort 0x0C: 指令预取终止导致的异常的向量地址b Handle

4、DataAbort 0x10: 数据访问终止导致的异常的向量地址b HandleNotUsed 0x14: 保留b HandleIRQ 0x18: 中断模式的向量地址b HandleFIQ 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（Give the symbol external linkage）。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

5、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:mrs r0,cpsr set cpu to SVC32 modebic r0,r0,#0x1Forr r0,r0,#0xD3msr cpsr,r0 cpsr=11x10011, IRQ

6、/FIQ disabled 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（Program Status Reguster）中每个Bit位的含义如图1所示。Bit4Bit0为模式位，用来设置CPU工作模式，现在只要知道

7、M4:0 = 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：mrs r0,cpsr 把cpsr的值传送到r0中， msr cpsr,r0 把r0的值传送到cpsr中。bic是位清零（Bit Clear）指令，bic r0,r0,#0x1F 意思是把r0的Bit4:0位清零（由0x1F

8、指示），然后把结果写入r0中。 orr是按位求或指令，orr r0,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），M4:0=10011，意思是禁止IRQ，禁止FIQ，工作在ARM状态，工作在SVC32模式。 ldr r0, =0x53000000mov r1, #0x0str r1, r0 disable watch dog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

9、之下。使用以下代码设置PLL，提升工作频率。 ldr r0, =0x4C000014 CLKDIVN registermov r1, #0x05 FCLK:HCLK:PCLK = 1:4:8str r1, r0mrc p15,0,r0,c1,c0,0 if HDIVN Not 0, must asynchronous bus modeorr r0,r0,#0xC0000000 see S3C2440A manual P7-9mcr p15,0,r0,c1,c0,0ldr r0, =0x4C000004 MPLLCON registerldr r1, =0x0005C011 (9212)|(14

10、)|(1)str r1, r0 FCLK is 400 MHz !最后的结果是，FCLK=400MHz，HCLK=100MHz，PCLK=50MHz。 SDRAM Initmov r1, #0x48000000 MEM_CTL_BASEadrl r2, mem_cfg_valadd r3, r1, #521:ldr r4, r2, #4 读取设置值，并让r2加4str r4, r1, #4 将此值写入寄存器，并让r1加4cmp r1, r3 判断是否设置完所有13个寄存器bne 1b 若没有写成，继续设置存储控制器。 ldr sp, =0x32FFF000 设置堆栈bl nand_init 初

11、始化NAND Flash nand_read_ll函数需要3个参数：ldr r0, =0x33000000 1. 目标地址=0x30000000，这是SDRAM的起始地址mov r1, #0 2. 源地址 =0，S-Boot代码都存在NAND地址0开始处mov r2, #102400 3. 复制长度=102400(bytes)bl nand_read 调用C函数nand_readldr lr, =halt_loop 设置返回地址ldr pc, =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:b halt_loop这里把所有的代码从Nand

12、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Nand Flash中的前4KB的数据拷贝到Stepping Stone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

13、，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

14、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

15、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 Nand Flash 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Nand Flash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。Nand Flash只用8根线与CPU的

16、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。Nand Flash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Nand Flash的操作时序：1.通过NFCONF寄存器配置Nand Flash；2.写Nand Flash命令到NFCMD寄存器；3.写Nand Flash地址到 NFADDR寄存器；4.在读写数据时，通过NFSTAT寄存器获得Nand Flash的状态信息。应该在读操作前或写操作后检查R/nB信号（R

17、eady/Busy信号）。初始化NAND Flash：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Nand Flash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。void

18、 nand_init(void)/时间参数设为:TACLS=0 TWRPH0=3 TWRPH1=0 NFCONF = 0x300;/* 使能NAND Flash控制器, 初始化ECC, 禁止片选 */NFCONT = (14)|(11)|(10);/* 复位NAND Flash */NFCONT &= (11); /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1NFCONT |= 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

19、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);)N

20、FCMMD = 0; /发出READ0命令s3c2440_write_addr(i); /Write Addresss3c2440_wait_idle(); /循环查询NFSTAT位0，直到它等于1for(j=0; j NAND_SECTOR_SIZE; j+, i+)*buf = (unsigned char)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

21、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：#define ATAG_CORE

22、 0x54410001#define ATAG_MEM 0x54410002#define ATAG_CMDLINE 0x54410009#define ATAG_NONE 0x00000000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：struct Atag struct TagHeader stHdr; struct TagCore stCore;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

23、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。struct TagHeader UINT32 nSize;UINT32 ulTag;struct TagCore UINT32 ulFlags;UINT32 nPageSize;UINT32 ulRootDev;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：struct Atag struct TagHeader stHdr;union

24、struct TagCore stCore;struct TagMem32 stMem;struct TagVideoText stVideoText;struct TagRamDisk stRamDisk;struct TagInitrd stInitRd;struct TagSerialnr stSerialNr;struct TagRevision stRevision;struct TagVideolfb stVideoLfb;struct TagCmdline stCmdLine;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

25、，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 Boot Loader 设置的常见启动参数有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_I

26、NITRD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。struct TagCore结构体已经在前面列

27、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。Struct TagMem用来描述系统的物理内存地址空间，定义如下：struct atag_mem UINT32 nSize; /* size of the area */UINT32 ulStart; /* physical start address */;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

28、。Struct TagCmdline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：struct TagCmdline char cCmdLine1; /* this is the minimum size */;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/mtdblock2 init=/linuxrc console=ttySAC0,115200 mem=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：const char *CmdLine = root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.249:/home/hongwang/mkrootfs/rootfs ip=192