【正文】 塊電路開發(fā)板上。Bootloader的啟動(dòng)過程可以是單階段的，也可以是多階段的。通常多階段的bootloader能提供更為復(fù)雜的功能，以及更好的可移植性。從固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上啟動(dòng)的bootloader大多數(shù)是二階段的啟動(dòng)過程，也即啟動(dòng)過程可以分為stage 1和stage 2兩部分。 Bootloader的操作模式 大多數(shù)bootloader都包含兩種不同的操作模式：“啟動(dòng)加載”模式和“下載”模式，這種區(qū)別對(duì)于開發(fā)人員才有意義。但從最終用戶的角度看，bootloader的作用永遠(yuǎn)就是用來加載操作系統(tǒng)，而并不存在所謂的啟動(dòng)加載模式與下載工作模式的區(qū)別。啟動(dòng)加載模式：這種模式也稱為“自主”模式，即bootloader從目標(biāo)機(jī)上的某個(gè)固體存儲(chǔ)設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中運(yùn)行，整個(gè)過程沒有用戶的介入。這種模式是bootloader的正常工作模式，因此當(dāng)以嵌入式產(chǎn)品發(fā)布的時(shí)候，bootloader必須工作在這種模式下。下載模式：在這種模式下，目標(biāo)機(jī)上的bootloader將通過串口或者網(wǎng)絡(luò)連接或者其它通信手段從主機(jī)下載文件，比如：下載內(nèi)核鏡像和根文件系統(tǒng)鏡像等。從主機(jī)下載的文件通常首先被bootloader保存到目標(biāo)機(jī)的RAM中，然后被bootloader寫到目標(biāo)機(jī)上的FLASH類固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備中。Bootloader的這種模式通常在第一次安裝內(nèi)核與根文件系統(tǒng)時(shí)使用；此外，以后的系統(tǒng)更新也會(huì)使用bootloader的這種工作模式。工作于這種模式下的bootloader通常都會(huì)向它的中斷用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單的命令行接口。 Bootloader的概念擴(kuò)展 Bootloader最主要的功能是引導(dǎo)加載內(nèi)核鏡像。但是隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，bootloader已經(jīng)逐漸在基本功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了擴(kuò)展，bootloader可以更多地增加對(duì)具體系統(tǒng)的板級(jí)支持，即增加一些硬件模塊功能上的使用支持，以方便開發(fā)人員進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試。從這個(gè)層面上看，功能擴(kuò)展后的bootloader可以虛擬地看成是一個(gè)微小的系統(tǒng)級(jí)的代碼包。 ARM Bootloader的共性 從上面bootloader的基本概念可以看出，bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是與具體的CPU以及具體的硬件系統(tǒng)緊密相關(guān)的，從上一章的實(shí)現(xiàn)就可以看出，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)通用的ARM bootloader，即要適合所有的ARM處理器以及硬件系統(tǒng)，是不太可能的事情。另外，不同的操作系統(tǒng)，可能對(duì)具體的bootloader還會(huì)有另外額外的要求。但是，我們還是可以根據(jù)ARM的體系結(jié)構(gòu)，從理論上總結(jié)出一些ARM系統(tǒng)bootloader實(shí)現(xiàn)的共性，而這僅僅局限于理論上。至于涉及到具體的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可以參看第5章的具體內(nèi)容，并根據(jù)自己的硬件系統(tǒng)進(jìn)行移植，也不是一件困難的事情。 對(duì)于ARM bootloader的一些共同特性，理論上只局限于bootloader的基本功能，因?yàn)閿U(kuò)展功能眾多，可以有串口、USB、以太網(wǎng)接口、IDE、CF等，無法進(jìn)行歸納與總結(jié)。 對(duì)于一個(gè)ARM系統(tǒng)來說，本質(zhì)上，bootloader作為引導(dǎo)與加載內(nèi)核鏡像的“工具”，在實(shí)現(xiàn)上，必須提供以下幾個(gè)功能，更確切地說，必須做到以下幾點(diǎn)：（1）初始化RAM（必需）：bootloader必須能夠初始化RAM，因?yàn)閷硐到y(tǒng)要通過它保存一些Volatile數(shù)據(jù)，但具體地實(shí)現(xiàn)要依賴與具體的CPU以及硬件系統(tǒng)。（2）初始化串口（可選，推薦）：bootloader應(yīng)該要初始化以及使能至少一個(gè)串口，通過它與控制臺(tái)聯(lián)系進(jìn)行一些debug的工作；甚至與PC通信。（3）創(chuàng)建內(nèi)核參數(shù)列表（針對(duì)linux操作系統(tǒng)，推薦）。（4）啟動(dòng)內(nèi)核鏡像（必需）：根據(jù)內(nèi)核鏡像保存的存儲(chǔ)介質(zhì)不同，可以有兩種啟動(dòng)方式：FALSH啟動(dòng)以及RAM啟動(dòng)；但是無論是哪種啟動(dòng)方式，下面的系統(tǒng)狀態(tài)必須得到滿足：★ CPU寄存器的設(shè)置：R0＝0； R1＝機(jī)器類型； R2＝啟動(dòng)參數(shù)標(biāo)記列表在RAM中的起始地址； 這三個(gè)寄存器的設(shè)置是在最后啟動(dòng)內(nèi)核時(shí)通過啟動(dòng)參數(shù)來傳遞完成的?！? CPU模式：關(guān)閉中斷； 屬于SVC模式； Bootloader中沒有必要支持中斷的實(shí)現(xiàn)，這屬于內(nèi)核機(jī)制以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理的管理范疇；SVC模式是系統(tǒng)的一種保護(hù)模式，這樣就可以進(jìn)行一些只能在SVC模式下的操作，例如一些特定寄存器訪問操作?！? Cache和MMU的設(shè)置：MMU必須關(guān)閉； 數(shù)據(jù)cache必須關(guān)閉； 指令cache可以關(guān)閉也可以開啟； Bootloader中所有對(duì)地址的操作都是使用物理地址，是實(shí)在的實(shí)地址，不存在虛擬地址，因此MMU必須關(guān)閉。Bootloader主要是裝載內(nèi)核鏡像，鏡像數(shù)據(jù)必須真實(shí)寫回SDRAM中，所以數(shù)據(jù)cache必須關(guān)閉；而對(duì)于指令cache，不存在強(qiáng)制性的規(guī)定，但是一般情況下，推薦關(guān)閉指令cache?！? Bootloader啟動(dòng)內(nèi)核鏡像的方法是通過跳轉(zhuǎn)語句直接跳轉(zhuǎn)至內(nèi)核鏡像的第一句指令語句。5 Bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 課題研究的平臺(tái)環(huán)境 硬件平臺(tái)Booltoader是與硬件環(huán)境息息相關(guān)的，特別是與具體的處理器與具體硬件系統(tǒng)相關(guān)。論文中，其具體的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證都需要具體的硬件環(huán)境，硬件平臺(tái)是圍繞S3C2440A搭建起來的。 S3C2440A 模塊圖 S3C2440A是著名的半導(dǎo)體公司SAMSUNG推出的一款16/32位RISC微處理器，它為手持設(shè)備和一般類型的應(yīng)用提供了低價(jià)格、低功耗、高性能微控制器的解決方案。S3C2440A采用了ARM920T的內(nèi)核。其低功耗，簡(jiǎn)單，且全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適合于對(duì)成本和功率敏感型的應(yīng)用。它采用了新的總線架構(gòu)Advanced Micro controller Bus Architecture (AMBA)。S3C2440A的最大特點(diǎn)是其核心處理器(CPU)是一個(gè)由Advanced RISC Machines有限公司設(shè)計(jì)的16/32位ARM920T的RISC處理器。ARM920T實(shí)現(xiàn)了MMU，AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的16KB指令 Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache。每個(gè)都是由具有8字長(zhǎng)的行組成。通過提供一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)，S3C2440A減少整體系統(tǒng)成本和無需配置額外的組件。S3C2440A微處理器體系結(jié)構(gòu)特征如下：★ 為手持設(shè)備和通用嵌入式應(yīng)用提供片上系統(tǒng)解決方案?！? 16/32位RISC體系結(jié)構(gòu)和ARM920T內(nèi)核強(qiáng)大的指令集?！? 加強(qiáng)的ARM體系結(jié)構(gòu)MMU用于支持WinCE，EPOC 32和Linux。★ 采用高速指令I(lǐng)Cache，高速數(shù)據(jù)DCache，寫緩沖器和物理地址TAG RAM 以減少主存帶寬和響應(yīng)速度帶來的影響?！? 采用ARM920T CPU內(nèi)核支持ARM調(diào)試體系結(jié)構(gòu)?！? 內(nèi)部高級(jí)微控制總線（AMBA）體系結(jié)構(gòu)(，AHB/APB)。 軟件環(huán)境以及軟件開發(fā)工具 （1）操作系統(tǒng) 論文中操作系統(tǒng)使用的是開放源碼的Linux操作系統(tǒng)，因此最終bootloader的實(shí)現(xiàn)是針對(duì)Linux操作系統(tǒng)的，加載的kernel鏡像也是Linux kernel生成。 （2）編程語言由于論文與芯片底層關(guān)系密切，甚至還涉及到相關(guān)協(xié)處理器，因此在與硬件芯片底層相關(guān)的部分使用匯編，這樣可以大大提高性能以及移植性；而在很多系統(tǒng)板級(jí)的支持上，則使用C語言，以提高代碼的可讀性以及層次性。 （3）編譯環(huán)境本文所使用的編譯工具均為GNU的編譯工具。其主要包括匯編器as、C編譯器gcc、C++編譯器g++、連接器ld和相關(guān)的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換工具，而基于ARM平臺(tái)的工具分別為armlinuxas、armlinuxgcc、armlinuxg++、armlinuxld，這些也是平常所說的交叉編譯工具。GNU的編譯器功能非常強(qiáng)大，共有上百個(gè)操作選項(xiàng)，不過在本課題實(shí)際開發(fā)中只需要用到有限的幾個(gè)，大部分采用缺省選項(xiàng)。一般地，GNU工具地開發(fā)流程如下：（1）編寫C、C++或者匯編源程序（2）用相關(guān)編譯器生成目標(biāo)文件（3）編寫連接腳本（4）用連接器生成最終文件（elf格式）（5）用二進(jìn)制轉(zhuǎn)換工具生成可下載的二進(jìn)制代碼。在后面篇幅介紹具體bootloader的實(shí)現(xiàn)時(shí)，基本就根據(jù)以上流程進(jìn)行開發(fā)。 Bootloader的總體設(shè)計(jì) 階段設(shè)計(jì)在前面的章節(jié)中，已經(jīng)介紹過bootloader的啟動(dòng)可以是分階段的。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們將bootloader分為兩個(gè)階段：階段1和階段2。分為兩個(gè)階段的原因是因?yàn)椋海?）基于編程語言的考慮。階段1主要用匯編語言，它主要進(jìn)行與CPU核以及存儲(chǔ)設(shè)備密切相關(guān)的處理工作，進(jìn)行一些必要的初始化工作，是一些依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼，為了增加效率以及因?yàn)樯婕暗絽f(xié)處理器的設(shè)置，只能用匯編編寫，這部分直接在FLASH中執(zhí)行；階段2用一般的C語言，來實(shí)現(xiàn)一般的流程以及對(duì)板級(jí)的一些驅(qū)動(dòng)支持，這部分會(huì)被拷貝到RAM中執(zhí)行。（2）代碼具有更好的可讀性與移植性：若對(duì)于相同的CPU以及存儲(chǔ)設(shè)備，要增加外設(shè)支持，階段1的代碼可以維護(hù)不變，只對(duì)階段2的代碼進(jìn)行修改；若要支持不同的CPU，則基礎(chǔ)代碼只需在階段1中修改。 地址規(guī)劃設(shè)計(jì)當(dāng)bootloader階段設(shè)計(jì)好之后，需要考慮的是鏡像存儲(chǔ)的地址分配：總鏡像保存在什么地方，階段2對(duì)應(yīng)的鏡像會(huì)被拷貝到什么地方；內(nèi)核鏡像原先存放在什么地方，bootloader會(huì)把它又重新加載到什么地方；如何進(jìn)行準(zhǔn)確的地址規(guī)劃以保證沒有相互沖突等等，這些都是本節(jié)需要考慮的范疇。對(duì)于本課題的硬件系統(tǒng)，外接2M的FLASH，映射到物理地址的0x00000000處；對(duì)于64M的SDRAM，則對(duì)應(yīng)S3C2440A的SDRAM BANK0，映射到0x3000000處。S3C2440AL系統(tǒng)復(fù)位后，從物理地址的0x00000000開始執(zhí)行第一段代碼，這個(gè)地址是由 CPU制造商預(yù)先安排的。而我們基于S3C2440A構(gòu)建的系統(tǒng)將固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備FLASH映射到這個(gè)地址上。當(dāng)Bootloader放到FLASH的起始處后，系統(tǒng)加電或者復(fù)位后，CPU將首先執(zhí)行bootloader程序。本文所使用的內(nèi)核鏡像以及根文件系統(tǒng)鏡像都被加載到SDRAM中運(yùn)行，這樣做是因?yàn)榛谶\(yùn)行速度的考慮，盡管在嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)核鏡像與根文件系統(tǒng)鏡像也可以直接在ROM或FLASH這樣的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備中直接運(yùn)行。所以bootloader在啟動(dòng)時(shí)以及加載內(nèi)核時(shí)通常要考慮這一點(diǎn)。下圖為具體的存儲(chǔ)布局圖： Uboot存儲(chǔ)映射圖 模式設(shè)計(jì)對(duì)于普通用戶來說只需要bootloader的啟動(dòng)加載模式，但是對(duì)于開發(fā)者來說，則需要下載模式，因?yàn)樗麄冃枰獣r(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行一些鏡像的更新。為了在兩者之間做到兼顧，本課題既支持啟動(dòng)加載模式，也支持下載模式，具體思路為：在bootloader做完一些硬件初始化工作后，而在加載內(nèi)核鏡像之前，先在一定的時(shí)間內(nèi)等待有沒有用戶有鍵盤輸入，如果沒有，則為啟動(dòng)加載模式，直接加載內(nèi)核鏡像進(jìn)行啟動(dòng)；如果有，則進(jìn)入命令行格式，這時(shí)開發(fā)者就可以根據(jù)自己的需要以及bootloader的支持情況，做一些其他的工作。模式的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)主要在階段2中實(shí)現(xiàn)。綜合起來，整個(gè)bootloader的實(shí)現(xiàn)流程可以如下圖所示： stage1 圖 stage2Flash啟動(dòng)過程中的函數(shù)調(diào)用流程： 圖 Bootloader的具體實(shí)現(xiàn) 從本節(jié)開始介紹本課題的bootloader的具體代碼實(shí)現(xiàn)。 階段1的代碼實(shí)現(xiàn)。（1）定義CPU工作模式為管理模式，工作狀態(tài)為ARM狀態(tài)并且關(guān)閉普通中斷(IRQ)和快速中斷(FIQ)。mrs r0,cpsr bic r0,r0,0x1f orr r0,r0,0xd3 msr cpsr,r0 （2）通過宏定義方式定義各寄存器。if defined(CONFIG_S3C2400) define pWTCON 0x15300000 define INTMSK 0x14400008 /* InteruptController base addresses */ define CLKDIVN 0x14800014 /* clock divisor register */elif defined(CONFIG_S3C2410) define pWTCON 0x53000000 define INTMOD 0X4A000004 define INTMSK 0x4A000008 /* InteruptController base addresses */ define INTSUBMSK 0x4A00001C define CLKDIVN 0x4C000014 /* clock divisor register */endif（3）關(guān)閉watchdog定時(shí)器，清中斷位。if defined(CONFIG_S3C2440) ldr r0, =pWTCON mov r1, 0x0 str r1, [r0] mov r1, 0xffffffff ldr r0, =INTMSK str r1, [r0]mov r0, 0