基于ARM9上linux系统的bootloader设计

1.引言

在嵌入式开发中其中不可避免的一环就是bootloader的设计[1]，它统筹软硬件资源，使得资源最优配置，嵌入式系统对功耗，性能，以及成本要求很苛刻，它要求在达到用户要求的前提下把成本和资源利用降为最低，Booloader不是驱动开发的一部分，但一个好的booloader可以决定该产品在市场上的成败[2]。

采用Samsung公司的ARM920T[3]处理器与Linux2.4.18嵌入式操作系统，根据处理速度和效率的不同采用分阶段实现的方法，在具体实现时不拘泥于该处理器和操作系统版本，使之更有普遍性和通用性。

2.bootloader概述

引导加载程序bootloader是系统加电后运行的第一段代码[4]，功能类似pc机的BIOS，在ARM中一般都是位于地址0x00000000,这段代码可以实现初始化硬件设备，建立内存空间映射图，从而将系统的软硬件带到一个合适的状态，以便最终为调用操作系统内核和用户应用程序准备好正确的环境。

Bootloader的启动可以单阶段也可以多阶段，为了方便移植和增加系统的执行效率一般分为两个阶段stage1用汇编编写和stage2用C 语言编写，stage1主要进行与CPU与存储设备相关的工作进行必要的初始化工作，是一些依赖于体系结构的代码，例如初始化CPU运行的时钟频率，初始化Flash和内存的数据宽度、读/写访问周期和刷新周期，初始化中断系统，初始化系统中各种片内片外设备和I/O口，初始化系统各种运行模式下的寄存器和堆栈。stage2是用C语言实现一般的流程以及对板级驱动的支持，包括初始化要用到用到的内核映像和文件系统映像,并将PC指针指向操作系统内核的入口处，为操作系统的运行作好准备。这样设计代码具有很好的移植性和可读性，对于相同的CPU只需修改stage2，对于不同的CPU只需修改 stage1。

3.stage1设计

3.1.建立二级中断向量表

每当有中断或者异常发生时，ARM处理器便强制把PC指针指向向量表中对应中断类型的地址值。为了加快中断响应，在Flash的0x0地址存放能跳转到0x33ffff00地址处中断向量的跳转指令，即在RAM中建立一个二级中断向量表，起始地址为0x33ffff00，除复位外，其它异常入口地址由Flash跳转得到，部分实现代码如下

#define _ISR_STARTADDRESS (SDRAM_END-0x100) //0x33ffff00

definepISR_RESET (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x0))// x33ffff00

#define pISR_UNDEF (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x4))// x33ffff04

如表1所示:

Flash异常向量表

0x001c

0x0018

0x0014

0c0010

0x000c

0x0008

0x0004

0x0000 FIQ

IRQ

Reserved

Data abort

Prefetch abort

SWI

Undef

Reset

SDRAM异常向量表

0x33ffff00 b HandleResethandler for Reset

0x33ffff04 b HandleUndefhandler for Undefined

0x33ffff08 b HandleSWIHander for SWI

0x33ffff0c b HandlePabortHander for Pabort

0x33ffff10B handleDabortHander for Dabort

0x33ffff14 b HandleReservedHander for Reserved

0x33ffff18 b HandleIRQhandler for IRQ

0x33ffff1c b HandleFIQ,Hander for FIQ

表1.二级中断向量表

3.2 拷贝Stage2至RAM

习惯上把stage2拷贝到RAM地址的最顶部1MB开始的空间，RAM的起始地址为0x30000000。实现代码如下所示：

/*计算stage2在flash中的位置，假设该映像不超过64K，自行可修改该值*/

Adr r0,_start

Add r2,r0,#(64*1024)

Add r0,ro,#0x1000

Ldr r1 ,BLOB_START

/*开始复制stage2到RAM，R0=源起始地址，R1=目的地址，r2源结束地址*/

copy_loop:

ldmia r0!,{r3-r10}

stmia r1!, {r3-r10}

cmp r0,r2

ble copy_loop

ldr r0,BLOB_START //复制完跳转到RAM执行由此入口进入stage2

3.3.设置堆栈指针

系统堆栈初始化取决于用户使用了哪些中断，以及系统需要处理哪些错误类型。一般情况下，管理者堆栈必须设置，如果使用了IRQ中断，则IRQ堆栈也必须设置，下面以IRQ堆栈为例进行设置。

IRQMode 堆栈

orr r1,r0,#IRQMODE|NOINT

msr cpsr_cxsf,r1; IRQMode

ldr sp,IRQStack

4. stage2设计

4.1.可执行映像stage2的入口

由于在编译和链接Bootloader这样的c程序时不能使用glibc库支持的函数，所以直接把main()函数的起始地址作为第二阶段的入口点是最直接的想法。可以用汇编编写一段trampoline(弹簧床)小程序用CPU跳转指令跳到main()函数去执行，当mian()函数返回时会再次回到trampoline程序，具体汇编代码如下：

@get read to call c functions

ldr sp DW_STACK_START @ setup stack pointer

mov fp ,#0 @ no previous frame,so fp=0

mov a2, #0 @set argv to NULL

bl main @call main

mov pc,#FLASH_BASE @otherwise,reboot

如果正常不出错就不会再回到trampoline程序，否则就会回到最后一条语句重起系统。

4.2 内存影射

一般s3c2410上配置的SDRSAM大小为64M,该SDRAM的物理地址范围是0x3000 0000~0x33FF FFFF(属于Bank 6)，由于1个Section的大小是1M，所以该物理空间可以被分成64个物理段(页框)。

由于bootloader没有对MMU的管理代码，处理器在运行时直接访问物理地址。同时，因为ARM体系结构中数据缓冲(Dcache)必须通过 MMU开启，所以bootloader效率比较低，可通过平板映射(flat,既虚拟地址和物理地址相同)方式开启MMU，从而使用内存空间的 Dcache，提高bootloader的运行速度。

如图1所示:

1图1虚拟地址到物理地址映射

映射关系代码如下：

void mem_mapping_linear(void)[!--empirenews.page--]

{ unsigned long descriptor_index, section_base, sdram_base, sdram_size;

sdram_base=0x30000000;

sdram_size=0x 4000000;

for(section_base=sdram_base,descriptor_index=section_base>>

20;Ssection_base

{*(mmu_tlb_base+(descriptor_index))=(section_base>>20)| MMU_OTHER_SECDESC;}

}

4.3.装载内核映像和根文件系统映像

像ARM这样的嵌入式CPU通常都是在统一的内存地址空间中寻址 Flash 等固态存储设备的，因此从Flash上读取数据与从 RAM单元中读取数据用一个简单的循环就可以完成从Flash 设备上拷贝映像的工作：

其中count为根文件系统映像的大小或内核映像的大小。

While(count){

*dest++=*src++;//src为fash中的地址，dest为RAM中的地址

count-=4;}

4.4.置内核的启动参数

内核启动可以从Nand Flash或Nor Flash中启动运行linux，需要修改启动命令如下：

#ifdef CONFIG_S3C2410_NAND_BOOT

Char Linux_cmd[]=“noinit root=/dev/bon/2 init =/Linuxrc console=tty0 console=ttys0”;

#else

CharLinux_cmd[]=“CharLinux_cmd[]=”noinit root=/dev/bon/3 init =/Linuxrc console=tty0 console=ttys0”;

其中noinitrd不使用ramdisk。

root根文件系统所在MTD分区。

Init内核运行入口命令文件。

console 内核信息控制台，ttyS0表示串行口0。

ttys0表示虚拟终端LCD启动参数一般都包括root、init和console。

5.结论

设计bootloader是一项很复杂的工作，需要对硬件资源和所用的操作系统有很深的理解，在实际开发中可以根据需要简化设计，去除不必要的系统功能，这样可以大大提高程序执行的效率和稳定性。

本文作者创新点：bootloader随硬件不同设计也尽相同，但本质的原理是一样的，本文给出了一种层次分明设计简练较之通用的设计方法，使嵌入式工作者可以快速的了解bootloader的实现从而写出符合需要的启动程序。

参考文献

[1] 万永波 张根宝 田泽 杨峰，基于ARM的嵌入式系统Bootloader启动流程分析, 微计算机信息, 2005年，第21卷11-2期，90页.

[2] 嵌入式linux设计与应用.邹思轶. 北京：清华大学出版社 2002.

[3] SUMSUANG ELECTRONICS. S3C2410X User’s Manual[Z].Republic of Korea: Sumsang,2003.

[4]　马学文, 朱明日, 程小辉.嵌入式系统中 Bootloader的设计与实现.计算机工程，2005年，第31卷7期,96页.