本身動手編寫嵌入式Bootloader之（1）

第一部分：基本功能流程

CPU 上電後會從IO空間的某地址取第一條指令。但此時：PLL沒有啓動，CPU工做頻率爲外部輸入晶振頻率，很是低；CPU工做模式、中斷設置等不肯定；存儲 空間的各個BANK（包括內存）都沒有驅動，內存不能使用。在這種狀況下必須在第一條指令處作一些初始化工做，這段初始化程序與操做系統獨立分開，稱之爲 bootloader。

實際上，不多有必要本身寫一個Bootloader，由於U-Boot已經強大到可以知足各類須要。可是強大必然複雜，一個初學者想要分析U- Boot的源代碼，仍是有些難度的。出於學習的目的，我寫了這個史上最簡單的啓動加載器，它只包含最基本的功能，卻囊括了一個嵌入式Bootloader 應該有的核心和精華。我把這個啓動加載器命名爲S-Boot， 是Simple Bootloader的縮寫，亦可進一步簡稱爲SB。

使用的實驗環境爲OK2440開發板，板上處理器爲S3C2440A，有64M內存，Nand存儲器爲K9F1208，64M。網口芯片爲 CS8900A。咱們要實現的功能是：從串口下載Linux內核映像到RAM；從網口下載Linux內核映像到RAM；從RAM啓動內核掛載NFS根文件 系統。

1. 第一階段的彙編代碼：start.S

一個嵌入式Bootloader最初始部分的代碼幾乎必須是用匯編語言寫成的，由於開發板剛上電後沒有準備好C程序運行環境，好比堆棧指針SP沒有指到正確的位置。彙編代碼應該完成最原始的硬件設備初始化，並準備好C運行環境，這樣後面的功能就能夠用C語言來寫了。

對咱們的S-Boot來講，上電後的起始運行代碼是 start/start.S。

.text
.global _start
_start:
b Reset @ 0x00: 發生復位異常時從地址零處開始運行
    b HandleUndef @ 0x04: 未定義指令停止模式的向量地址
    b HandleSWI   @ 0x08: 管理模式的向量地址，經過SWI指令進入此模式
    b HandlePrefetchAbort @ 0x0C: 指令預取終止致使的異常的向量地址
    b HandleDataAbort     @ 0x10: 數據訪問終止致使的異常的向量地址
    b HandleNotUsed       @ 0x14: 保留
    b HandleIRQ           @ 0x18: 中斷模式的向量地址
    b HandleFIQ           @ 0x1C: 快中斷模式的向量地址

 

這裏，彙編指示符.text代表如下內容屬於代碼段，.global _start指明_start是全局可訪問的符號（Give the symbol external linkage）。按照ARM920T的規定，從地址0x00到0x1C放置異常向量表，向量表每一個條目佔四個字節，正好能夠放置一條跳轉指令，跳轉到相 應異常的服務程序中去。在S-Boot中沒有使用中斷，因此除Reset異常外，其它異常的服務程序均可簡單地寫個死循環。Reset異常是系統上電後自 動觸發的，因此咱們的代碼都寫在Reset的服務程序裏面。

 

實際上，異常向量表不必定非要位於地址0x00處，CP15協處理器中的c1寄存器的第13位用來控制異常向量表的起始地址。該位爲0時，異常 向量表位於低地址0x00處；該位爲1時，異常向量表位於高地址 0xFFFF0000處。咱們沒有必要改變這個位的值，使用默認的低地址就好了。

 

Reset:         mrs r0,cpsr       @set cpu to SVC32 mode         bic r0,r0,#0x1F         orr r0,r0,#0xD3         msr cpsr,r0       @cpsr=11x10011, IRQ/FIQ disabled

 

代碼最初始的任務是設置CPU工做在SVC32模式，關閉全部中斷，禁用看門狗。實際上，即便不設置工做模式，CPU在復位以後將自動工做在管理模式。在整個S-Boot運行期間，咱們沒有使用中斷，也沒有改變CPU工做模式，它將一直工做在SVC32模式。

 

MMU、ICache、DCache的打開和關閉都是由CP15協處理器的c1寄存器控制的。實際上在復位以後這三者都是自動關閉的，因此省略了關閉它們的代碼。

S3C2440A的PSR寄存器（Program Status Reguster）中每一個Bit位的含義如圖1所示。Bit4~Bit0爲模式位，用來設置CPU工做模式，如今只要知道 M[4:0] = 10011 表示SVC32模式就好了。Bit5爲狀態位，T=0表示工做在ARM狀態，T=1表示工做在Thumb狀態，默認爲0，不須要改變。Bit6爲快速中斷 禁止位，F=1爲禁止快速中斷，F=0爲使能快速中斷。Bit7爲中斷禁止位，I=1爲禁止中斷，F=0爲使能中斷。其它Bit位暫時能夠沒必要理會。

mrs 和msr是在PSR寄存器和其它寄存器間傳遞數據的指令。如：mrs r0,cpsr 把cpsr的值傳送到r0中， msr cpsr,r0 把r0的值傳送到cpsr中。bic是位清零（Bit Clear）指令，bic r0,r0,#0x1F 意思是把r0的Bit[4:0]位清零（由0x1F指示），而後把結果寫入r0中。 orr是按位求或指令，orr r0,r0,#0xD3 表示把r0的 Bit7,Bit6,Bit4,Bit1,Bit0 置爲1，其它位保持不變。

執行完上述操做後，cpsr中的 I=1, F=1, T保持不變（默認爲0），M[4:0]=10011，意思是禁止IRQ，禁止FIQ，工做在ARM狀態，工做在SVC32模式。

 

 

ldr r0, =0x53000000         mov r1, #0x0         str r1, [r0] @disable watch dog

 

禁用看門狗更簡單，由於WTCON寄存器的地址爲0x53000000，直接向該寄存器寫0便可。

到目前爲止，CPU工做在外接晶振12MHz頻率之下。使用如下代碼設置PLL，提高工做頻率。

 

 

ldr r0, =0x4C000014 @CLKDIVN register         mov r1, #0x05 @FCLK:HCLK:PCLK = 1:4:8         str r1, [r0]         mrc p15,0,r0,c1,c0,0 @if HDIVN Not 0, must asynchronous bus mode         orr r0,r0,#0xC0000000 @see S3C2440A manual P7-9         mcr p15,0,r0,c1,c0,0         ldr r0, =0x4C000004 @MPLLCON register         ldr r1, =0x0005C011 @((92<<12)|(1<<4)|(1))         str r1, [r0] @FCLK is 400 MHz !

 

最後的結果是，FCLK=400MHz，HCLK=100MHz，PCLK=50MHz。

 

@ SDRAM Init         mov r1, #0x48000000 @MEM_CTL_BASE         adrl r2, mem_cfg_val         add r3, r1, #52 1:         ldr r4, [r2], #4 @ 讀取設置值，並讓r2加4         str r4, [r1], #4 @ 將此值寫入寄存器，並讓r1加4         cmp r1, r3 @ 判斷是否設置完全部13個寄存器         bne 1b @ 若沒有寫成，繼續

 

設置存儲控制器。

 

ldr sp, =0x32FFF000 @設置堆棧         bl nand_init @初始化NAND Flash                                             @nand_read_ll函數須要3個參數：         ldr r0, =0x33000000 @1. 目標地址=0x30000000，這是SDRAM的起始地址         mov r1, #0 @2. 源地址 =0，S-Boot代碼都存在NAND地址0開始處         mov r2, #102400 @3. 複製長度=102400(bytes)         bl nand_read @調用C函數nand_read         ldr lr, =halt_loop @設置返回地址         ldr pc, =main @b指令和bl指令只能先後跳轉32M的範圍，故使用向pc賦值的方法進行跳轉 halt_loop:         b halt_loop

 

這裏把全部的代碼從Nand拷貝到RAM中，而後跳轉到main函數去執行。此後程序便在RAM中運行了。可是到目前爲止，前面的程序都是在SteppingStone裏運行的。所謂SteppingStone，是指 在 S3C2440A的內部的 4KB的 RAM緩存 ，它老是映射到地址 0x00處。硬件加電後會自動將 Nand Flash中的前 4KB的數據拷貝到 Stepping Stone中，而後從地址 0x00處開始運行 。

若是 代碼足夠小（小於 4KB）的話，那隻在 SteppingStone中運行，加載 Linux內核到內存便可。但一般 代碼確定會大於 4KB。因此 Bootloader 通常分爲兩部分，Stage1的代碼在 SteppingStone中運行，它會把Stage2的代碼拷貝到RAM中 ，並跳轉到 RAM中執行；Stage2的代碼在RAM中執行， 它能夠完成加載內核及其它任何複雜的功能。由於Stage2的起始位置很差肯定，爲了方便，咱們把全部的代碼都拷貝到RAM中了。

C 函數nand_read有三個參數，第一個參數爲目的地起始地址，第二個參數爲源起始地址，第三個參數爲要複製的數據長度，以字節爲單位。根據ATPCS 函數調用規則，三個參數分別用寄存器r0，r1，r2來傳遞。咱們在內存的0x33000000處存放Bootloader，複製長度根據編譯生成的S- Boot.bin映像文件大小，向上取512字節的整數倍。

這裏先來規劃一下內存空間的分配。RAM的地址範圍是從0x30000000到0x34000000共64MByte。把S-Boot和 Kernel放在高地址處，S-Boot從 0x33000000開始，預留8MByte的空間，內核從0x33800000開始，可供使用的空間也是8MByte。因棧空間是向下生長的，咱們在 S-Boot下面預留4096Byte的空閒區域，而後向下爲棧空間，故棧指針SP初始化爲 0x32FFF000。其實留不留空閒區域是無所謂的，這裏只是爲了把兩者更明顯地區分開。咱們只設置SVC模式下的SP，不使用CPU的其它工做模式， 因此也不必設置其它模式下的棧指針。另外，程序中不使用動態內存分配，故而也沒必要分配堆空間。

2. nand讀操做

在編譯鏈接時，咱們把上述 start.S 代碼放在生成的二進制映像文件的最開始位置，於是也被燒寫到 Nand Flash 的最起始位置，於是會被自動拷貝到 SteppingStone 裏運行。start.S 要完成的任務之一，是 把S-Boot的全部代碼從 Nand Flash拷貝到內存中，這裏須要對NAND的讀操做，所以對NAND的初始化和讀操做要在第一階段寫好。

以開發板上使用的K9F1208爲例，每一個頁（page）爲512Byte數據和16Byte校驗，每一個塊（Block）爲32個頁，即16KByte數據和512Byte校驗。

Nand Flash只用8根線與CPU的DATA0-7鏈接，位寬爲8位，不論是數據、地址或控制字都經過這8根線傳遞，若是讀寫數據的話每次只能傳輸一個字節數據。Nand Flash 的操做經過NFCONF、NFCMD、NFADDR、NFDATA、NFSTAT和NFECC六個寄存器來完成。在 S3C2440A 數據手冊第218頁能夠看到讀寫 Nand Flash 的操做時序：1.  經過NFCONF 寄存器配置Nand Flash； 2.寫Nand Flash 命令到NFCMD寄存器；3 . 寫Nand Flash地址到 NFADDR寄存器；4 .  在讀寫數據時，經過NFSTAT寄存器得到Nand Flash的狀態信息。應該在讀操做前或寫操做後檢查 R/nB 信號（Ready /Busy 信號）。

初始化NAND Flash：S3C2440的NFCONF寄存器用來設置時序參數TACLS、TWRPH0、TWRPH1，設置數據位寬；還有一些只讀位。TACLS、 TWRPH0、TWRPH1這三個參數控制的是Nand Flash信號線CLE/ALE與寫控制信號nWE的時序關係。

 

 

注意，寄存器值轉換成實際的時鐘週期值時，TACLS不需加1，而TWRPH0和TWRPH1須要加1。好比NFCONF寄存器中設置 TACLS=1，TWRPH0=3，TWRPH1=0，意思是時序圖中 TACLS=1個HCLK時鐘，TWRPH0=4個HCLK時鐘，TWRPH1=1個HCLK時鐘。

 

 

void nand_init(void) {     //時間參數設爲:TACLS=0 TWRPH0=3 TWRPH1=0     NFCONF = 0x300;     /* 使能NAND Flash控制器, 初始化ECC, 禁止片選 */     NFCONT = (1<<4)|(1<<1)|(1<<0);     /* 復位NAND Flash */     NFCONT &= ~(1<<1); //發出片選信號     NFCMMD = 0xFF; //復位命令     s3c2440_wait_idle();//循環查詢NFSTAT位0，直到它等於1     NFCONT |= 0x2; //取消片選信號 }

讀操做：讀操做也是以頁（512Byte）爲單位進行的。在初始上電時，器件進入缺省的「讀方式1模式」。在這一模式下，頁讀操做經過將0x 00 寫入指令寄存器，接着寫入3個地址（1個列地址和2個行地址）來啓動。一旦頁讀指令被器件鎖存，下面的頁讀操做就不須要再重複寫入頁讀指令了。寫入頁讀指令和地址後，處理器能夠經過對信號線 R//B 的分析來判斷頁讀操做是否完成。若是信號爲低電平，表示器件正忙；若是信號爲高電平，表示器件內部操做完成，要讀取的數據被送入了數據寄存器。外部控制器能夠再以50 ns 爲週期的連續 /RE 脈衝信號的控制下，從IO口依次讀出數據。連續頁讀操做中，輸出的數據是從指定的列地址開始，直到該頁最後一個列地址的數據爲止。

 

for(i=start_addr; i < (start_addr + size);)      {          NFCMMD = 0; //發出READ0命令          s3c2440_write_addr(i); //Write Address          s3c2440_wait_idle(); //循環查詢NFSTAT位0，直到它等於1          for(j=0; j < NAND_SECTOR_SIZE; j++, i++)          {              *buf = (unsigned char)NFDATA;              buf++;          }      }

 

缺點：沒有使用ECC校驗和糾錯；沒有使用壞塊檢查；

3. main 函數

串口初始化，以便可以向用戶輸出一些信息；網口初始化，以便可以從主機下載內核映像；輸出一些菜單，以便用戶選擇執行所須要的功能。好比，用戶 能夠選擇從串口或網口下載內核映像到RAM中某個地址，而後運行這個內核。關於下載內核映像的實現，在後文會詳細介紹。這裏只看當內核映像已經存在於 RAM中時，怎樣才能把這個內核啓動起來。

4. 啓動參數的傳遞

啓動Linux內核以前須要設置好一些必要的啓動參數，這些參數以TAG列表的形式傳遞給內核。所謂TAG列表，就是多個TAG在內存空間中按 順序排列。每一個TAG，其實都是一個結構體，每一個結構體中又包含了一個頭部結構體和一個內容結構體稱。頭部結構體指明瞭本TAG的類型、佔用空間大小；所 謂TAG的類型，就是一個宏定義，用一個肯定的整數來識別該標記。內容結構體包含了該TAG的具體內容。

下面以具體的例子作說明。

在atag.h中就有：

#define ATAG_CORE 0x54410001 #define ATAG_MEM 0x54410002 #define ATAG_CMDLINE 0x54410009 #define ATAG_NONE 0x00000000

這些都是TAG的類型，注意這些整數跟地址沒有關係，只是一個用來識別標記類型的符號而已。

每一個Tag都用結構體表示，包含TagHeader 頭結構體以及隨後的參數值數據結構。如 ATAG_CORE：

struct Atag {

             struct TagHeader  stHdr;

             struct TagCore stCore;

};

其中包含兩個結構體。第一個結構體TagHeader含兩個整型變量，用以表示本結構體的長度、標記類型；nSzie賦值爲頭部TagHeader和數據TagCore的大小之和，注意是以字（即4字節）爲單位；ulTag 就賦值爲先前定義的宏ATAG_CORE。第二個結構體就是實際的數據了。

struct TagHeader { UINT32 nSize; UINT32 ulTag; }; struct TagCore { UINT32 ulFlags; UINT32 nPageSize; UINT32 ulRootDev; };

因爲每一個Tag 都由一個TagHeader 加一個數據部分組成，所以一般的作法是使用Struct 和Union 相結合來定義：

struct Atag {            struct TagHeader stHdr;            union {                   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;            }; };

其中涉及到的全部數據結構都可在 Linux 內核源碼的include/asm/setup.h 頭文件找到，咱們把這些定義放在Bootloader的頭文件atag.h中

啓動參數標記列表以標記 ATAG_CORE 開始，以標記 ATAG_NONE 結束。每一個標記由標識被傳遞參數的 tag_header 結構以及隨後的參數值數據結構來組成。數據結構 tag 和 tag_header 定義在 Linux 內核源碼的include/asm/setup.h 頭文件中，在咱們的S-Boot中對應的頭文件爲 atag.h。

在嵌入式 Linux 系統中，一般須要由 Boot Loader 設置的常見啓動參數有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等。

向內核傳遞參數的方法，先在內存中某個起始地址開始，連續存放多個Tag, 組成Tag列表。列表中的每一個Tag包括頭部TagHeader和數據結構體。按規定，第一個Tag必須是ATAG_CORE， 最末一個Tag必須是ATAG_NONE，並且中間必須包含至少一個ATAG_MEM。 注意的是末尾的ATAG_NONE只包括頭部，沒有數據內容。如圖所示。

在編程時先定義好起始地址，而後用一個指針，每設置完畢一個Tag的內容就向後移動相應的長度，而後設置下一個Tag內容，以保證各個Tag的連續存放。

下面具體說明幾個關鍵Tag的數據區域內容的設置。struct TagCore結構體已經在前面列出，它包含三個整型變量，ulFlags通常設爲零，nPageSize表示分頁內存管理中每一頁的大小，通常爲4096字節，ulRootDev是系統啓動的設備號，設爲零便可，由於一般在後面的命令行參數Cmdline中覆蓋這個設置。Struct TagMem用來描述系統的物理內存地址空間，定義以下：

struct atag_mem {             UINT32 nSize; /* size of the area */             UINT32 ulStart; /* physical start address */ };

其中nSzie表示內存的總大小，ulStart爲內存的起始物理地址，兩者結合告訴內核系統可用的物理內存空間是哪些。Struct TagCmdline結構體的定義就更簡單了，只是一個字符數組，初始長度爲1，以下所示：

struct TagCmdline {            char cCmdLine[1]; /* this is the minimum size */ };

實際上命令行參數不可能只有一個字節，咱們一般使用strcpy函數把命令行參數拷貝到cCmdLine地址處，在結尾附加一個字符串結束符’\0’，而後用strlen函數得到cCmdLine數組的實際長度（包括字符串結束符）。常見的命令行參數如：root=/dev/mtdblock2 init=/linuxrc console=ttySAC0,115200 mem=65536。咱們知道的是，Bootloader以標記列表的形式向內核傳遞的參數，大概有10種不一樣類型的Tag，而命令行參數只是其中的一種。其它須要設置的Tag包括ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等，此處再也不詳細介紹。

在咱們的S-Boot中設置了ATAG_CORE，ATAG_MEM，ATAG_CMDLINE，ATAG_NONE 四項。其中CmdLine 使用的是：

const char *CmdLine = "root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.249:/home/hongwang/mkrootfs/rootfs ip=192.168.1.252:192.168.1.249:192.168.1.1:255.255.255.0:hwlee.net:eth0:off console=ttySAC0,115200 init=/linuxrc mem=65536K console=tty1 fbcon=rotate:2";

這裏root=/dev/nfs表示使用NFS作根文件系統，注意並不真的存在/dev/nfs這個設備，它只是一個符號而已，告訴內核使用NFS而不是使用真正的設備作根文件系統。

nfsroot=[<server-ip>:]<root-dir>[,<nfs-options>]

nfsroot=192.168.1.249:/home/hongwang/mkrootfs/rootfs是NFS服務器地址及要掛載的目錄。

ip=<client-ip>:<server-ip>:<gw-ip>:<netmask>:<hostname>:<device>:<autoconf>

ip=192.168.1.252:192.168.1.249:192.168.1.1:255.255.255.0:hwlee.net:eth0:off

只說明一下autoconf，這一個選項指明開發板使用的自動配置IP地址的方法，有時開發板能夠設置成經過DHCP或者BOOTP等協議從服務器獲取IP地址。off 或 none 表示不使用自動配置，使用指定的靜態IP地址信息。

console=ttySAC0,115200 串口控制檯

console=tty1 fbcon=rotate:2 液晶屏Framebuffer控制檯，若是內核支持，能夠在LCD屏幕上顯示Linux內核啓動過程，起點結束後在LCD屏幕上進入Shell控制檯供用 戶操做。fbcon=rotate:2表示控制檯旋轉180度，若爲1表示旋轉90度，3旋轉270度，0不旋轉。

4. boot kernel zImage

zImage 二進制文件包含兩部份內容，起始部分是解壓縮程序，後面是壓縮的內核。解壓縮程序是最早運行的，內核中文件是：arch/arm/boot /compressed/head.S，它負責把壓縮的內核解壓到0x30008000處。所以zImage能夠下載到RAM任意位置處，由解壓縮程序負 責搬移到正確的運行地址。

因此 Bootloader啓動Linux內核的方法就是直接跳轉到內核的第一條指令處，也就是跳轉到內存中存放內核映像的開始地址，內核映像具備自解壓功能， 會把本身釋放到正確的運行地址。Tag列表怎樣傳給內核呢？使用的方法是把Tag列表的起始地址傳給內核。首先，定義一個指向函數的指針：

 typedef void (*LINUX_KERNEL_ENTRY)(int, int, UINT32);

LINUX_KERNEL_ENTRY pfExecKernel;

 這樣pfExecKernel就是一個函數指針，函數具備三個整型變量。而後，讓pfExecKernel指向內核映像的起始地址處，這裏使用強制類型轉換把地址轉換成函數指針類型：

 pfExecKernel = (LINUX_KERNEL_ENTRY)pKernelStartAddr;

 最後，以三個參數調用pfExecKernel函數：

 pfExecKernel(0, MACH_ID, ATAG_BASE);

 其中第一個參數默認爲零，能夠沒必要理會。第二個參數是機器ID號，不一樣的CPU有不一樣的號碼與之對應，能夠在內核源代碼的linux/arch/arm/tools/mach-types 文件中查到，S3C2440 對應的MACH_ID 爲362。第三個參數ATAG_BASE就是上文講到的Tag列表的首地址。

這個函數調用的做用其實就是設置 r0=0，r1=機器ID，r2=TAG首地址，而後跳到 arch/arm/boot/compressed/head.S文件中的第一條指令處。

既 然能夠把TAG首地址傳遞給內核，那麼TAG LIST就能夠放在RAM中的任何位置了，只要不與其它有用內容衝突便可。可是事實卻並非想象的這樣。實驗發現，第三個參數傳遞進去的TAG首地址彷佛 沒有起到做用，由於啓動時老是找不到正確的啓動參數。後來發現內核有個默認的TAG首地址0x30000100，它老是到0x30000100去尋找啓動 參數，而不理會咱們傳進來的第三個參數。因此，S-Boot中把TAG首地址就設置爲0x30000100。

5. 小結

綜上所述，包含最基本功能的S-Boot運行流程已經很清楚了。下圖對此做了一個總結。