[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，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 HandleDataAbort     @ 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 mode
        bic r0,r0,#0x1F
        orr r0,r0,#0xD3
        msr cpsr,r0       @cpsr=11x10011, IRQ/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。Bit4~Bit0为模式位，用来设置CPU工作模式，现在只要知道 M[4:0] = 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Bit[4:0]位清零（由0x1F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），M[4:0]=10011，意思是禁止IRQ，禁止FIQ，工作在ARM状态，工作在SVC32模式。

 

 

        ldr r0, =0x53000000
        mov r1, #0x0
        str 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频率之下。使用以下代码设置PLL，提升工作频率。

 

 

        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 !

 

最后的结果是，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 @ 读取设置值，并让r2加4
        str r4, [r1], #4 @ 将此值写入寄存器，并让r1加4
        cmp 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_read


        ldr 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，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（Ready/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 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 = (1<<4)|(1<<1)|(1<<0);
    /* 复位NAND Flash */
    NFCONT &= ~(1<<1); //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1
    NFCONT |= 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);)
     {

         NFCMMD = 0; //发出READ0命令
         s3c2440_write_addr(i); //Write Address
         s3c2440_wait_idle(); //循环查询NFSTAT位0，直到它等于1
         for(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 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 {
                  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，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_INITRD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。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 cCmdLine[1]; /* 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=192.168.1.252:192.168.1.249:192.168.1.1:255.255.255.0:hwlee.net:eth0:off console=ttySAC0,115200 init=/linuxrc mem=65536K console=tty1 fbcon=rotate:2";

这里root=/dev/nfs表示使用NFS做根文件系统，注意并不真的存在/dev/nfs这个设备，它只是一个符号而已，告诉内核使用NFS而不是使用真正的设备做根文件系统。

nfsroot=[:][,]

nfsroot=192.168.1.249:/home/hongwang/mkrootfs/rootfs是NFS服务器地址及要挂载的目录。

ip=::::::

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

只说明一下autoconf，这一个选项指明开发板使用的自动配置IP地址的方法，有时开发板可以设置成通过DHCP或者BOOTP等协议从服务器获取IP地址。off 或 none 表示不使用自动配置，使用指定的静态IP地址信息。

console=ttySAC0,115200 串口控制台

console=tty1 fbcon=rotate:2 液晶屏Framebuffer控制台，如果内核支持，可以在LCD屏幕上显示Linux内核启动过程，起点结束后在LCD屏幕上进入Shell控制台供用户操作。fbcon=rotate:2表示控制台旋转180度，若为1表示旋转90度，3旋转270度，0不旋转。

4. boot kernel zImage

zImage 二进制文件包含两部分内容，起始部分是解压缩程序，后面是压缩的内核。解压缩程序是最先运行的，内核中文件是：arch/arm/boot /compressed/head.S，它负责把压缩的内核解压到0x30008000处。因此zImage可以下载到RAM任意位置处，由解压缩程序负责搬移到正确的运行地址。

所以 Bootloader启动Linux内核的方法就是直接跳转到内核的第一条指令处，也就是跳转到内存中存放内核映像的开始地址，内核映像具有自解压功能，会把自己释放到正确的运行地址。Tag列表怎样传给内核呢？使用的方法是把Tag列表的起始地址传给内核。首先，定义一个指向函数的指针：

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

LINUX_KERNEL_ENTRY pfExecKernel;

 这样pfExecKernel就是一个函数指针，函数具有三个整型变量。然后，让pfExecKernel指向内核映像的起始地址处，这里使用强制类型转换把地址转换成函数指针类型：

 pfExecKernel = (LINUX_KERNEL_ENTRY)pKernelStartAddr;

 最后，以三个参数调用pfExecKernel函数：

 pfExecKernel(0, MACH_ID, ATAG_BASE);

 其中第一个参数默认为零，可以不必理会。第二个参数是机器ID号，不同的CPU有不同的号码与之对应，可以在内核源代码的linux/arch/arm/tools/mach-types 文件中查到，S3C2440 对应的MACH_ID 为362。第三个参数ATAG_BASE就是上文讲到的Tag列表的首地址。

这个函数调用的作用其实就是设置 r0=0，r1=机器ID，r2=TAG首地址，然后跳到arch/arm/boot/compressed/head.S文件中的第一条指令处。

既然可以把TAG首地址传递给内核，那么TAG LIST就可以放在RAM中的任何位置了，只要不与其它有用内容冲突即可。但是事实却并不是想象的这样。实验发现，第三个参数传递进去的TAG首地址似乎没有起到作用，因为启动时总是找不到正确的启动参数。后来发现内核有个默认的TAG首地址0x30000100，它总是到0x30000100去寻找启动参数，而不理会我们传进来的第三个参数。所以，S-Boot中把TAG首地址就设置为0x30000100。

5. 小结

综上所述，包含最基本功能的S-Boot运行流程已经很清楚了。下图对此作了一个总结。