Bootloader(Vivi)源代码分析

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Vivi 是韩国mizi 公司开发的bootloader, 适用于ARM9处理器。 Vivi有两种工作模式：启动加载模式和下载模式。启动加载模式可以在一段时间后（这个时间可更改）自行启动linux内核，这时vivi的默认模式。在下载模式下，vivi为用户提供一个命令行接口，通过接口可以使用vivi提供的一些命令，见下表：



命令


功能

Load


把二进制文件载入Flash或RAM

Part


操作MTD分区信息。显示、增加、删除、复位、保存MTD分区

Param


设置参数

Boot


启动系统

Flash


管理Flash，如删除Flash的数据








1.2 vivi的配置与编译
1.2.1 建立交叉开发环境

1、在宿主机上安装标准Linux 操作系统：Redhat 9.0 ( 主机系统为win2000，用虚拟机vmware安装的Redhat 9.0，内核版本为2.4.1 。

2、宿主机上安装交叉编译器。

我这边的2410开发板提供的光盘上已附交叉编译器工具：arm-linux-gcc-2.95.3（源码为cross-2.95.3.tar.bz2）。

先以root 用户的身份登陆到linux 下。

进入/usr/local 目录，创建名为arm的目录：

cd /usr/local

mkdir arm

将光盘提供的cross-2.95.3.tar.bz2解压到/usr/local/arm目录：

tar jxvf cross-2.95.3.tar.bz2 –C /usr/local/arm



然后修改修改PATH 变量：为了可以方便使用arm-linux-gcc编译器系统, 把arm-linux工具链目录加入到环境变量PATH中：

修改/etc/profile文件,添加pathmunge /usr/local/arm/2.95.3/bin即可。

# Path manipulation

if [ `id -u` = 0 ]; then

pathmunge /sbin

pathmunge /usr/sbin

pathmunge /usr/local/sbin

pathmunge /usr/local/arm/2.95.3/bin

fi



pathmunge /usr/X11R6/bin after

设置环境变量后，最好是重启或注销一下，这样设置的环境变量才能生效。


1.2.2 配置和编译vivi

如果vivi的源代码已根据开发板作了相应改动，则需要对源代码进行配置和编译，以生成烧入flash的vivi 二进制映象文件。

由于vivi要用到kernel的一些头文件，所以需要kernel的源代码，所以先要把linux的kernel准备好。将vivi和kernel都解到相应目录下（例如我将光盘提供的vivi源代码解压到/home/chenjun目录下，光盘提供的Linux kernel源码kernel-h2410eb.041024.tar.gz也解压到/home/chenjun目录下，解压后的文件名为kerne-h2410eb）。

然后需修改/vivi/Makefile里的一些变量设置：

Ø LINUX_INCLUDE_DIR = /kernel/include/

（LINUX_INCLUDE_DIR 为kernel/include的对应目录，我的是/home/chen/kerne-h2410eb /include/）

因此修改为：

LINUX_INCLUDE_DIR = /home/chenjun/ kerne-h2410eb/include/



Ø CROSS_COMPILE = /usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-

(CROSS_COMPILE 为arm-linux安装的相应目录，我的是/usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-)

因此修改为：

CROSS_COMPILE = /usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-



Ø ARM_GCC_LIBS = /usr/local/arm/2.95.3/lib/gcc-lib/arm-linux/2.95.3

（需根据你arm-linux的安装目录修改，我的是/usr/local/arm/2.95.3/lib/gcc-lib/arm-linux/2.95.3）



进入/vivi目录执行make distclean。（目的是确保编译的有效性，在编译之前将vivi里所有的“*.o”和“*.o.flag”文件删掉）

进入/vivi目录里，输入“make menuconfig”，开始选择配置。可以Load一个写好的配置文件也可以自己修改试试。注意Exit时一定要选“Yes”保存配置。

再输入“make”正式开始编译，一会儿就完了。如果不报错，在/vivi里面就有你自己的“vivi”了。这个就是后面要烧写到flash中的bootloader。
1.3 vivi代码分析

vivi的代码包括arch，init，lib，drivers和include等几个目录，共200多条文件。

Vivi主要包括下面几个目录：

arch：此目录包括了所有vivi支持的目标板的子目录，例如s3c2410目录。

drivers：其中包括了引导内核需要的设备的驱动程序（MTD和串口）。MTD目录下分map、nand和nor三个目录。

init：这个目录只有main.c和version.c两个文件。和普通的C程序一样，vivi将从main函数开始执行。

lib：一些平台公共的接口代码，比如time.c里的udelay()和mdelay()。

include：头文件的公共目录，其中的s3c2410.h定义了这块处理器的一些寄存器。Platform/smdk2410.h定义了与开发板相关的资源配置参数，我们往往只需要修改这个文件就可以配置目标板的参数，如波特率、引导参数、物理内存映射等。








1.4 vivi的运行

vivi的运行也可以分为两个阶段：
1.4.1 vivi的第一阶段

完成含依赖于CPU的体系结构硬件初始化的代码，包括禁止中断、初始化串口、复制自身到RAM等。相关代码集中在head.S(\vivi\arch\s3c2410目录下)：

Head.S：



#include "config.h"

#include "linkage.h"

#include "machine.h"



@ Start of executable code



ENTRY(_start)

ENTRY(ResetEntryPoint)



@

@ Exception vector table (physical address = 0x00000000) ；异常向量表物理地址

@



@ 0x00: Reset ；复位

b Reset



@ 0x04: Undefined instruction exception ；未定义的指令异常

UndefEntryPoint:

b HandleUndef



@ 0x08: Software interrupt exception ；软件中断异常

SWIEntryPoint:

b HandleSWI



@ 0x0c: Prefetch Abort (Instruction Fetch Memory Abort) ；内存操作异常

PrefetchAbortEnteryPoint:

b HandlePrefetchAbort



@ 0x10: Data Access Memory Abort ；数据异常

DataAbortEntryPoint:

b HandleDataAbort



@ 0x14: Not used ；未使用

NotUsedEntryPoint:

b HandleNotUsed



@ 0x18: IRQ(Interrupt Request) exception ；慢速中断处理

IRQEntryPoint:

b HandleIRQ



@ 0x1c: FIQ(Fast Interrupt Request) exception ；快速中断处理

FIQEntryPoint:

b HandleFIQ



@

@ VIVI magics

@



@ 0x20: magic number so we can verify that we only put

.long 0

@ 0x24:

.long 0

@ 0x28: where this vivi was linked, so we can put it in memory in the right place

.long _start

@ 0x2C: this contains the platform, cpu and machine id

.long ARCHITECTURE_MAGIC

@ 0x30: vivi capabilities

.long 0

#ifdef CONFIG_PM ；vivi考虑不需要使用电源管理

@ 0x34:

b SleepRamProc

#endif

#ifdef CONFIG_TEST

@ 0x38:

b hmi

#endif





@

@ Start VIVI head

@

Reset:

@ disable watch dog timer ；禁止看门狗计时器

mov r1, #0x53000000 ；WTCON寄存器地址是

0x53000000，清0

mov r2, #0x0

str r2, [r1]



#ifdef CONFIG_S3C2410_MPORT3 ；不符合条件，跳到下面的关中断

/**** 在/vivi/include/autoconf.h中#undef CONFIG_S3C2410_MPORT3******/

mov r1, #0x56000000 ；GPACON寄存器地址是

0x56000000

mov r2, #0x00000005

str r2, [r1, #0x70] ；配置GPHCON寄存器

mov r2, #0x00000001

str r2, [r1, #0x78] ；配置GPHUP寄存器

mov r2, #0x00000001

str r2, [r1, #0x74] ；配置GPHDAT寄存器

#endif



@ disable all interrupts ；禁止全部中断

mov r1, #INT_CTL_BASE

mov r2, #0xffffffff

str r2, [r1, #oINTMSK] ；掩码关闭所有中断

ldr r2, =0x7ff

str r2, [r1, #oINTSUBMSK]



@ initialise system clocks ；初始化系统时钟

mov r1, #CLK_CTL_BASE

mvn r2, #0xff000000

str r2, [r1, #oLOCKTIME]



@ldr r2, mpll_50mhz

@str r2, [r1, #oMPLLCON]

#ifndef CONFIG_S3C2410_MPORT1 ；满足条件，向下执行

/**** 在/vivi/include/autoconf.h中#undef CONFIG_S3C2410_MPORT1******/

@ 1:2:4

mov r1, #CLK_CTL_BASE

mov r2, #0x3

str r2, [r1, #oCLKDIVN]



mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0 @ read ctrl register

orr r1, r1, #0xc0000000 @ Asynchronous

mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0 @ write ctrl register



@ now, CPU clock is 200 Mhz ；CPU的频率是200MHz

mov r1, #CLK_CTL_BASE

ldr r2, mpll_200mhz

str r2, [r1, #oMPLLCON]

#else

@ 1:2:2

mov r1, #CLK_CTL_BASE

ldr r2, clock_clkdivn

str r2, [r1, #oCLKDIVN]



mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0 @ read ctrl register

orr r1, r1, #0xc0000000 @ Asynchronous

mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0 @ write ctrl register



@ now, CPU clock is 100 Mhz ；CPU的频率是100MHz

mov r1, #CLK_CTL_BASE

ldr r2, mpll_100mhz

str r2, [r1, #oMPLLCON]

#endif

bl memsetup ；跳转到memsetup函数

/*****************************

Memsetup函数的实现：

ENTRY(memsetup)

@ initialise the static memory



@ set memory control registers ；设置内存控制寄存器的初值

mov r1, #MEM_CTL_BASE

adrl r2, mem_cfg_val

/*******************

@

@ Data Area

@

@ Memory configuration values

.align 4

mem_cfg_val: ；定义好的13*4=52个字节初值

.long vBWSCON ；在/vivi/include/platform/smdk2410.h中赋值

/****** SDRAM从32位变成16位，需要修改vBWSCON的值 ******/

.long vBANKCON0

.long vBANKCON1

.long vBANKCON2

.long vBANKCON3

/********** 网卡控制器vBANKCON3的值可能需要修改 **************/

.long vBANKCON4

.long vBANKCON5

.long vBANKCON6

/****** SDRAM从32位变成16位，可能需要修改vBANKCON6的值 ******/

.long vBANKCON7

.long vREFRESH

.long vBANKSIZE

/****** SDRAM从64MB变成32MB，需要修改vBANKSIZE的值 ******/

.long vMRSRB6

.long vMRSRB7

********************/

add r3, r1, #52

1: ldr r4, [r2], #4

str r4, [r1], #4

cmp r1, r3

bne 1b ；循环操作，直到13个寄存器赋值完成



mov pc, lr

*******************************/

#ifdef CONFIG_PM ；vivi考虑不需要使用电源管理

@ Check if this is a wake-up from sleep

ldr r1, PMST_ADDR

ldr r0, [r1]

tst r0, #(PMST_SMR)

bne WakeupStart ；查看状态，判断是否需要跳转到WakeupStart

#endif





#ifdef CONFIG_S3C2410_SMDK ；SMDK开发板使用

@ All LED on ；点亮开发板上的LED

mov r1, #GPIO_CTL_BASE

add r1, r1, #oGPIO_F ；LED使用GPIOF组的管脚

ldr r2,=0x55aa ；使能EINT0，EINT1，EINT2，EINT3，

；另四个管脚配置成输出，屏蔽EINT4，5，6，7

str r2, [r1, #oGPIO_CON]

mov r2, #0xff

str r2, [r1, #oGPIO_UP] ；disable the pull-up function

mov r2, #0x00

str r2, [r1, #oGPIO_DAT]

#endif



#if 0

@ SVC

mrs r0, cpsr

bic r0, r0, #0xdf

orr r1, r0, #0xd3

msr cpsr_all, r1

#endif



@ set GPIO for UART ；设置串口

mov r1, #GPIO_CTL_BASE

add r1, r1, #oGPIO_H ；设置GPIO_H组管脚为串口

ldr r2, gpio_con_uart

str r2, [r1, #oGPIO_CON]

ldr r2, gpio_up_uart

str r2, [r1, #oGPIO_UP]

/*************************

@ inital values for GPIO

gpio_con_uart:

.long vGPHCON ；vGPHCON在/vivi/include/platform/smdk2410.h中赋值

；#define vGPHCON 0x0016faaa

；GPIO_H配置为nCTS0，nRTS0, RXD0,TXD0, RXD1，

；TXD1，nCTS1，nRTS1,



/**** 三个串口都使能，可能需要修改#define vGPHCON 0x0016aaaa ****/



gpio_up_uart:

.long Vgphup ；同上#define vGPHUP 0x000007ff

；The pull-up function is disabled.

************************/



bl InitUART ；跳转到InitUART串口初始化函数

/****************************************************

@ Initialize UART

@

@ r0 = number of UART port

InitUART:

ldr r1, SerBase

/*******************

.align 4 ；缺省情况下在vivi中只初始化了UART0

SerBase:

#if defined(CONFIG_SERIAL_UART0)

.long UART0_CTL_BASE ；基地址在/vivi/include/s3c2410.h中定义

#elif defined(CONFIG_SERIAL_UART1)

.long UART1_CTL_BASE

#elif defined(CONFIG_SERIAL_UART2)

.long UART2_CTL_BASE

#else

#error not defined base address of serial

#endif

********************/

mov r2, #0x0

str r2, [r1, #oUFCON]

str r2, [r1, #oUMCON]

mov r2, #0x3

str r2, [r1, #oULCON]

ldr r2, =0x245

str r2, [r1, #oUCON]

#define UART_BRD ((50000000 / (UART_BAUD_RATE * 16)) - 1)

mov r2, #UART_BRD

str r2, [r1, #oUBRDIV]



mov r3, #100

mov r2, #0x0

1: sub r3, r3, #0x1

tst r2, r3

bne 1b



#if 0

mov r2, #'U'

str r2, [r1, #oUTXHL]



1: ldr r3, [r1, #oUTRSTAT]

and r3, r3, #UTRSTAT_TX_EMPTY

tst r3, #UTRSTAT_TX_EMPTY

bne 1b



mov r2, #'0'

str r2, [r1, #oUTXHL]



1: ldr r3, [r1, #oUTRSTAT]

and r3, r3, #UTRSTAT_TX_EMPTY

tst r3, #UTRSTAT_TX_EMPTY

bne 1b

#endif



mov pc, lr

****************************************************/



#ifdef CONFIG_DEBUG_LL ；打印调试信息，缺省未定义

@ Print current Program Counter

ldr r1, SerBase

mov r0, #'\r'

bl PrintChar

mov r0, #'\n'

bl PrintChar

mov r0, #'@'

bl PrintChar

mov r0, pc

bl PrintHexWord

#endif





#ifdef CONFIG_BOOTUP_MEMTEST

@ simple memory test to find some DRAM flaults.

bl memtest

#endif



#ifdef CONFIG_S3C2410_NAND_BOOT ；从NAND Flash启动

bl copy_myself ；跳转到copy_myself函数

/**********************************************

@

@ copy_myself: copy vivi to ram

@

copy_myself:

mov r10, lr



@ reset NAND

mov r1, #NAND_CTL_BASE

ldr r2, =0xf830 @ initial value

str r2, [r1, #oNFCONF]

ldr r2, [r1, #oNFCONF]

bic r2, r2, #0x800 @ enable chip

str r2, [r1, #oNFCONF]

mov r2, #0xff @ RESET command

strb r2, [r1, #oNFCMD]

mov r3, #0 @ wait

1: add r3, r3, #0x1

cmp r3, #0xa

blt 1b

2: ldr r2, [r1, #oNFSTAT] @ wait ready

tst r2, #0x1

beq 2b

ldr r2, [r1, #oNFCONF]

orr r2, r2, #0x800 @ disable chip

str r2, [r1, #oNFCONF]



@ get read to call C functions (for nand_read())

ldr sp, DW_STACK_START @ setup stack pointer

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



@ copy vivi to RAM

ldr r0, =VIVI_RAM_BASE

/*********在/vivi/linux/platform/smdk2410.h中定义

#define VIVI_RAM_BASE (DRAM_BASE + DRAM_SIZE - VIVI_RAM_SIZE)

***************************************/

mov r1, #0x0

mov r2, #0x20000 ；0x20000-〉128k字节

bl nand_read_ll ；nand_read_ll在/vivi/arch/s3c2410/nand_read.c中定义

；r0,r1,r2分别为函数的三个参数

；从NANDFlash的0地址拷贝128k到SDRAM指定处

tst r0, #0x0

beq ok_nand_read

#ifdef CONFIG_DEBUG_LL

bad_nand_read:

ldr r0, STR_FAIL

ldr r1, SerBase

bl PrintWord

1: b 1b @ infinite loop

#endif



ok_nand_read:

#ifdef CONFIG_DEBUG_LL

ldr r0, STR_OK

ldr r1, SerBase

bl PrintWord

#endif



@ verify

mov r0, #0

ldr r1, =0x33f00000

mov r2, #0x400 @ 4 bytes * 1024 = 4K-bytes

go_next:

ldr r3, [r0], #4

ldr r4, [r1], #4

teq r3, r4

bne notmatch

subs r2, r2, #4

beq done_nand_read

bne go_next

notmatch:

#ifdef CONFIG_DEBUG_LL

sub r0, r0, #4

ldr r1, SerBase

bl PrintHexWord

ldr r0, STR_FAIL

ldr r1, SerBase

bl PrintWord

#endif

1: b 1b

done_nand_read:



#ifdef CONFIG_DEBUG_LL

ldr r0, STR_OK

ldr r1, SerBase

bl PrintWord

#endif



mov pc, r10 ；vivi拷贝到SDRAM完成，函数返回

*********************************/

@ jump to ram

ldr r1, =on_the_ram

add pc, r1, #0

nop

nop

1: b 1b @ infinite loop



on_the_ram:

#endif



#ifdef CONFIG_DEBUG_LL

ldr r1, SerBase

ldr r0, STR_STACK

bl PrintWord

ldr r0, DW_STACK_START

bl PrintHexWord

#endif



@ 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



@

@ End VIVI head

@




1.4.2 vivi的第二阶段

vivi的第二阶段是从main（）函数开始，同一般的C语言程序一样，该函数在/init/main.c文件中，总共可以分为8个步骤。

（1） 函数开始，通过putstr(vivi_banner)打印出vivi的版本。Vivi_banner在/init/version.c文件中定义

（2） 对开发板进行初始化（board_init函数），board_init是与开发板紧密相关的，这个函数在/arch/s3c2410/smdk.c文件中。开发板初始化主要完成两个功能，时钟初始化（init_time()）和通用IO口设置（set_gpios()）。

void set_gpios(void)

{

GPACON = vGPACON;

GPBCON = vGPBCON;

GPBUP = vGPBUP;

GPCCON = vGPCCON;

GPCUP = vGPCUP;

GPDCON = vGPDCON;

GPDUP = vGPDUP;

GPECON = vGPECON;

GPEUP = vGPEUP;

GPFCON = vGPFCON;

GPFUP = vGPFUP;

GPGCON = vGPGCON;

GPGUP = vGPGUP;

GPHCON = vGPHCON;

GPHUP = vGPHUP;

EXTINT0 = vEXTINT0;

EXTINT1 = vEXTINT1;

EXTINT2 = vEXTINT2;

}

其中，GPIO口在smdk2410.h（\vivi\include\platform\目录下）文件中定义。

（3） 内存映射初始化和内存管理单元的初始化工作：

mem_map_init();

mmu_init();

这两个函数都在/arch/s3c2410/mmu.c文件中。

void mem_map_init(void)

{

#ifdef CONFIG_S3C2410_NAND_BOOT

mem_map_nand_boot();

#else

mem_map_nor();

#endif

cache_clean_invalidate();

tlb_invalidate();

}



如果配置vivi时使用了NAND作为启动设备，则执行mem_map_nand_boot()，否则执行mem_map_nor()。这里要注意的是，如果使用NOR启动，则必须先把vivi代码复制到RAM中。这个过程是由copy_vivi_to_ram()函数来完成的。代码如下：
static void copy_vivi_to_ram(void)

{

putstr_hex("Evacuating 1MB of Flash to DRAM at 0x", VIVI_RAM_BASE);

memcpy((void *)VIVI_RAM_BASE, (void *)VIVI_ROM_BASE, VIVI_RAM_SIZE);

}

VIVI_RAM_BASE、VIVI_ROM_BASE、VIVI_RAM_SIZE这些值都可以在smdk2410.h中查到，并且这些值必须根据自己开发板的RAM实际大小修改。这也是在移植vivi的过程中需要注意的一个地方。

mmu_init()函数中执行了arm920_setup函数。这段代码是用汇编语言实现的，针对arm920t核的处理器。



（4） 初始化堆栈，heap_init()。（定义在\vivi\lib\heap.c文件中）

int heap_init(void)

{

return mmalloc_init((unsigned char *)(HEAP_BASE), HEAP_SIZE);

}

（5） 初始化mtd设备，mtd_dev_init()。

int mtd_init(void)

{

int ret;



#ifdef CONFIG_MTD_CFI

ret = cfi_init();

#endif

#ifdef CONFIG_MTD_SMC

ret = smc_init();

#endif

#ifdef CONFIG_S3C2410_AMD_BOOT

ret = amd_init();

#endif



if (ret) {

mymtd = NULL;

return ret;

}

return 0;

}

这几个函数可以在/drivers/mtd/maps/s3c2410_flash.c里找到。

（6） 初始化私有数据，init_priv_data()。（定义在\vivi\lib\priv_data\rw.c文件中）

（7） 初始化内置命令，init_builtin_cmds()。

通过add_command函数，加载vivi内置的几个命令。

（8） 启动boot_or_vivi()。

启动成功后，将通过vivi_shell()启动一个shell（如果配置了CONFIG_SERIAL_TERM），此时vivi的任务完成。

1.5 启动代码执行流程图

(1)head.s代码执行流程 (2)main.c代码执行流程



1.6 vivi的配置文件

Vivi的初始配置文件位置：/vivi/arch/def-configs/smkd2410, 通过make menuconfig 修改后的配置保存在这个文件中，我们也可以载入一个自己的配置文件来进行编译。