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Bootloader通常稱(chēng)為系統引導加載程序，是系統加電或復位后執行第一段代碼。一般它只在系統啟動(dòng)時(shí)運行非常短時(shí)間，但對于嵌入式系統來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常重要系統組成部分。通過(guò)這段小程序，可以初始化硬件設備、建立內存空間映射圖，從而將系統軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適狀態(tài)，以便為調用操作系統內核準備好正確環(huán)境，并同時(shí)提供基本輸入、輸出系統監控功能和程序調試功能。 Bootloader是嚴重地依賴(lài)于硬件而實(shí)現。每種不同體系結構處理器都有不同Bootloader。除了依賴(lài)于處理器體系結構以外，Bootloader實(shí)際上也依賴(lài)于具體嵌入式板級設備配置，也就是說(shuō)，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建，要想讓運行在一塊板子上Bootloader程序也能運行在另一塊板子上，通常也都需要修改與目標硬件相關(guān)代碼。因此有必要分析Bootloader，并理解和找出其中原理和規律，就其特定嵌入式系統，移植或開(kāi)發(fā)屬于自己Bootloader。 1 系統硬件平臺簡(jiǎn)介 本系統采用是SamSung公司S3C2410處理器，它是專(zhuān)門(mén)為移動(dòng)手持設備提供高性?xún)r(jià)比和高性能嵌入式微處理器解決方案。其內核是ARM920T，最高能工作在202.8MHz，為了減少系統總成本和減少外圍器件，它集成了如下部件：分別為16KB指令和數據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功能計時(shí)器和1個(gè)內部時(shí)鐘、8通道10位ADC、觸摸屏接口、I2S總線(xiàn)接口，2個(gè)USB主機接口、1個(gè)USB設備接口，2個(gè)SPI接口、SD和MMC卡接口、看門(mén)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(kāi)發(fā)板硬件結構如圖1所示，本文主要闡述從Nandflash引導操作系統要完成主要任務(wù)和實(shí)現方法，至于從Norflash引導操作系統，不打算具體實(shí)現。 圖1 S3C2410硬件結構圖 2 存儲空間分布和映射圖 硬件平臺Nandflash（型號是：K9F1208U0M）空間為64MB，SDRAM(型號是：HY57V561620,32Mx2)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(wú)法運行程序。為了能夠從Nandflash啟動(dòng)，上電復位時(shí)，S3C2410通過(guò)硬件邏輯把Nandflash前4KB內容復制到片內SRAM中，而片內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(kāi)始執行bootloader，完成把Nandflash中內核代碼復制到sdram中等工作。 圖2 引導代碼和操作系統內核在Nandflash和存儲空間中分布情況 3 Bootloader設計流程 Bootloader引導程序是硬件上電復位后首先運行代碼，由它來(lái)加載嵌入式操作系統。然后由操作系統接管整個(gè)系統，進(jìn)行進(jìn)程管理、內存管理、磁盤(pán)管理和各個(gè)外設管理等工作。 BootLoader是操作系統內核運行之前一段自舉程序，用來(lái)初始化硬件設備、改變處理器運行模式和重組中斷向量，建立內存空間映射圖，將系統軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)由用戶(hù)定制特定狀態(tài)，然后加載操作系統內核。從操作系統角度來(lái)看，Bootloader總目標就是正確地調用內核來(lái)執行。Bootloader一般分為stage1和stage2兩大部分，對于依賴(lài)于CPU體系結構代碼，比如設備初始化代碼等，通常都放在stage1中，而且通常都用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現，以達到短小精悍目，也就是前面說(shuō)啟動(dòng)代碼。而stage2則通常用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現，這樣可以實(shí)現復雜功能，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 執行以及隨后內核執行準備好一些基本硬件環(huán)境。Bootloader stage1 一般通用內容包括: （1）設置中斷和異常向量；(2)禁止看門(mén)狗；(3) 屏蔽所有中斷, 在Boot Loader 執行全過(guò)程中可以不必響應任何中斷, 中斷屏蔽可以通過(guò)寫(xiě)CPU 中斷屏蔽寄存器或狀態(tài)寄存器CPSR 寄存器來(lái)完成；(4) 設置CPU 速度和時(shí)鐘頻率；(5) 對RAM進(jìn)行初始化, 包括正確設置系統內存控制器功能寄存器等；(6)初始化LED或UART，就是通過(guò)GPIO來(lái)驅動(dòng)LED,也可以通過(guò)初始化UART向串口打印Bootloader調試信息來(lái)表明系統狀態(tài)是OK還是ERROR，以便跟蹤系統運行情況；(7)關(guān)閉CPU 內部指令/數據高速緩存(cache)；（8）為加載Bootloaderstage2準備RAM空間；（9）設置好堆棧；（10）跳轉到stage2C入口點(diǎn)；其流程圖如圖3所示。 圖3 Bootloaderstage1實(shí)現 3.2 Bootloaderstage2 為了讓程序跳入C 語(yǔ)言“main”函數, 我們采用直接跳轉到“main”函數方法, 實(shí)現代碼如下: b Main 進(jìn)入main 函數后即可以開(kāi)始本階段stage2 初始化任務(wù), 這包括: (1) 如果在stage1沒(méi)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(hù)進(jìn)行交互，當然也可以繼續點(diǎn)亮或熄滅LED來(lái)判斷程序執行情況； (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，了解系統狀態(tài)； (6) 初始化中斷, 包括屏蔽中斷, 清除中斷懸掛標志, 初始化中斷向量表, 注冊需要中斷處理函數等； (8)打印版本、時(shí)間等信息，并從Nandflash復制內核到SDRAM中； （9）修改指針，直接跳到內核在SDRAM中首地址處，至此，完成了Bootloader全部運行加載工作； 下面是main（）函數和從Nandflash復制內核到SDRAM中ReadImageFromNandflash（）函數具體實(shí)現，但省略了一些具體細節，包括從串口打印啟動(dòng)、交互、調試信息和一些具體函數實(shí)現。一些具體函數實(shí)現可以參考三星評估版源代碼。 void Main(void) { JumpAddr=0x30200000; //拷貝內核到sdram中起始地址，也是內核開(kāi)始執行地址 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中內核拷貝到SDRAM中 rINTMSK=BIT_ALLMSK; //屏蔽所有中斷 Launch(JumpAddr); //跳轉到sdram中內核開(kāi)始處，并運行內核 } 從Nandflash（Flash是K9F1208U0M）拷貝內核到SDRAM函數具體實(shí)現如下： 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; //內核在sdram中運行開(kāi)始地址 rINTMSK = BIT_ALLMSK; //屏蔽所有中斷 i=2; //從第2個(gè)block開(kāi)始拷貝內核，第0個(gè)用于存儲本文bootloader，第1個(gè)沒(méi)用到 numberblock=2047; //拷貝多少個(gè)block到sdram中，視內核大小設置此值 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)行相應處理；否則就忽略此處，進(jìn)行下面拷貝 { i=i 1; //調整，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中內核開(kāi)始處 } goto nextblock; } for(k=0;k＜32;k ) //1 block=32 pages { // FMD_ReadSector（）函數實(shí)現從Nandflash存儲器中讀取數據到數據緩沖區中 FMD_ReadSector(i, (U8 *)&Image_Buf, k); for (j=0;j＜SECTOR_SIZE;j ) //1 page=512 bytes { //從數據緩沖區中拷貝到sdram中 *((U8 *)(IMAGE_BASE Sram_Space j))=Image_Buf[j]; } Sram_Space=Sram_Space SECTOR_SIZE; //調整sdram中偏移地址 } i=i 1; //調整，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中內核開(kāi)始處 } } } 4 試驗結果 由于三星公司S3C2410集成了Nandflash控制器，它通過(guò)硬件邏輯把Nandflash前4KB內容，即把Bootloader復制到片內sram中，并被映射到地址0x0處。通過(guò)跳線(xiàn)設置默認從nandflash啟動(dòng)，那么，系統每次上電或復位后，首先開(kāi)始運行就是Bootloader。使用ADS1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境建立Bootloader應用工程，添加必需文件并設置好編譯環(huán)境，如BootloaderRO_Base設置為0x0，RW_Base設置為0x33ff0000等，調試并最后生成可執行二進(jìn)制文件，通過(guò)JTAG接口把Bootloader燒寫(xiě)到Nandflash第0個(gè)block地址開(kāi)始處，通過(guò)usb下載工具把操作系統燒寫(xiě)到第2個(gè)block地址開(kāi)始處，復位啟動(dòng)系統運行后結果如圖4所示，該程序用于基于uCOS操作系統圖像采集系統引導。用同樣方法燒寫(xiě)不同操作系統內核應用程序，試驗結果每一次表明：Bootloader運行良好，啟動(dòng)加載內核快，且簡(jiǎn)單、實(shí)用、可靠。 圖4 Bootloader引導運行系統 5 結論 Bootloader設計與實(shí)現是一個(gè)非常復雜過(guò)程，因此要根據具體硬件和軟件需求分析來(lái)進(jìn)行移植或設計。本文設計Bootloader完成主要功能包括：試驗板硬件初始化、串口初始化、時(shí)鐘頻率修改以及從Nandflash復制操作系統到SDRAM中運行等，并通過(guò)PC機上超級終端顯示了正確啟動(dòng)運行信息，且可執行代碼只有3K左右。因此，本文所詳細描述Bootloader啟動(dòng)運行全過(guò)程，對理解、設計和移植Bootloader具有一定參考意義。 |
