思考人生、专注技术
分类： C/C++
2007-12-05 12:53:33
一．Bootloader
理论上，uClinux引导时并非一定需要一个独立于Kernel Image的Bootloader
Image。然而，将Bootloader与Kernel分开设计能够使软件架构更加清晰，也有助于灵活地支持多种引导方式，实现一些有用的辅助功能。Bootloader的主要任务可以概括如下：
1．硬件初始化和系统引导；
2．加载uClinux Kernel Image (如果需要)；
3．设置需要传递给Kernel的启动参数(如果需要)；
4．调用uClinux Kernel；
5．辅助功能：从主机下载新的Image；
6．辅助功能：烧写Flash Memory；
7．辅助功能：支持功能5和6所需的人机界面，如串行终端上的命令行接口。
对于常见的几类处理器内核，现在一般都找得到现成的Bootloader可用，不过需要针对具体的Board做些移植。在实现上述功能的前提下，也可以选择自行开发。由于Bootloader
Image在物理上独立于Kernel
Image，因此不一定选择GNU作为开发工具。对于以ARM7TDMI为内核的S3C44B0X处理器，完全可以使用ADS来开发Bootloader。
1．硬件初始化和系统引导
完整的Bootloader引导流程可描述如下：
硬件初始化阶段一 -> 复制二级Exception Vector Table -> 初始化各种处理器模式 ->
复制RO和RW，清零ZI -> (跳转到C代码入口函数) -> 初始化Exception/Interrupt Handler
Entry Table -> 初始化Device Drivers -> 硬件初始化阶段二 -> 建立人机界面
下面对上述各步骤逐一加以说明。
1．1 硬件初始化阶段一
板子上电或复位后，程序从位于地址0x0的Reset Exception
Vector处开始执行，因此需要在这里放置Bootloader的第一条指令：b
ResetHandler，跳转到标号为ResetHandler处进行第一阶段的硬件初始化，主要内容为：关Watchdog
Timer，关中断，初始化PLL和时钟，初始化Memory
Controller。比较重要的是PLL的输出频率要算正确，这里把它设置为50MHz；后面在计算SDRAM的Refresh
Count和UART的Baud Rate等参数时还要用到。
1．2 复制二级Exception Vector Table
Exception Vector Table是Bootloader与uClinux
Kernel发生联系的地方之一(另两处是加载and/or调用Kernel，以及向Kernel传递启动参数)。ARM7规定Exception
Vector Table的基地址是0x0，所以Flash
Memory的基地址也必须是0x0；而S3C44B0X处理器又不支持Memory
Remap，这意味着无论运行什么样的上层软件，一旦发生中断，程序就得到Flash Memory中的Exception
Vector
Table里去打个转(中断Interrupt是异常Exception的一种)。对于uClinux而言，它会在RAM中建立自己的二级Exception
Vector
Table(后面将提到基地址被设为0x0C000000)，所以在编写Bootloader时，地址0x0处的一级Exception
Vector Table只需简单地包含向二级Exception Vector Table跳转的内容：
b ResetHandler ;Reset Handler
ldr pc,=0x0c000004 ;Undefined Instruction Handler
ldr pc,=0x0c000008 ;Software Interrupt Handler
ldr pc,=0x0c00000c ;Prefetch Abort Handler
ldr pc,=0x0c000010 ;Data Abort Handler
b .
ldr pc,=0x0c000018 ;IRQ Handler
ldr pc,=0x0c00001c ;FIQ Handler
LTORG
如果在Bootloader执行的全过程中都不必响应中断，那么上面的设置已能满足要求。但如果某些Bootloader功能要求使用中断(例如用Timer
Interrupt实现精确定时，或利用External Interrupt支持Ethernet
Driver以实现TFTP下载)，那么Bootloader必须在同样的地址处配置自己的二级Exception Vector
Table，以便同uClinux兼容。这张表事先存放在Flash
Memory里，引导过程中由Bootloader将其复制到RAM地址0x0C000000：
存放：
RelocatedExceptionVectorStart
mov pc,#0
b HandlerUndef
b HandlerSWI
b HandlerPAbort
b HandlerDAbort
b .
b HandlerIRQ
b HandlerFIQ
HandlerUndef HANDLER HandleUndef
HandlerSWI HANDLER HandleSWI
HandlerPAbort HANDLER HandlePAbort
HandlerDAbort HANDLER HandleDAbort
HandlerIRQ HANDLER HandleIRQ
HandlerFIQ HANDLER HandleFIQ
LTORG
RelocatedExceptionVectorEnd
复制：
adr r0, RelocatedExceptionVectorStart
ldr r2, =0x0c000000
adr r3, RelocatedExceptionVectorEnd
0
cmp r0, r3
ldrcc r1, [r0], #4
strcc r1, [r2], #4
bcc %B0
其中HANDLER是一个宏，用于查找Exception Handler
Routines的入口地址。这些地址存放在由HandleXXX指向的表项中，该表定位在RAM高端，基地址为_ISR_STARTADDRESS：
^ _ISR_STARTADDRESS
HandleReset # 4
HandleUndef # 4
HandleSWI # 4
HandlePAbort # 4
HandleDAbort # 4
HandleReserved # 4
HandleIRQ # 4
HandleFIQ # 4
该表的内容将在步骤1.5：“初始化Exception/Interrupt Handler Entry
Table”中被填写为各Exception Handler Routine的入口地址。
1．3 初始化各种处理器模式
ARM7TDMI支持7种Operation
Mode：User，FIQ，IRQ，Supervisor，Abort，System和Undefined。Bootloader需要依次切换到每种模式，初始化其程序状态寄存器(SPSR)和堆栈指针(SP)。S3C44B0X处理器在上电或复位后处于Supervisor模式，本步骤中把对Supervisor模式的初始化放在最后，也就是说Bootloader的后续部份仍将运行在Supervisor模式下。
1．4 复制RO和RW，清零ZI
对于ADS开发工具而言，一个ARM程序由RO，RW和ZI三个段组成，其中RO为代码段，RW是已初始化的全局变量，ZI是未初始化的全局变量(对于GNU工具，对应的概念是TEXT，DATA和BSS)。RO段既可以在Flash
Memory中运行，也可以在RAM中运行。考虑到Bootloader中可能需要烧写Flash
Memory，因此在引导阶段应当将RO和RW段复制到RAM中，并将ZI段清零。当RO段复制完毕之后，程序就可以跳转到RAM中运行。若不考虑烧写Flash
Memory，则可以不复制RO段，程序始终在Flash Memory中运行。ADS使用下列Linker
Symbols来记录各段的起始和结束地址：
|Image$$RO$$Base| ：RO段起始地址
|Image$$RO$$Limit| ：RO段结束地址加1
|Image$$RW$$Base| ：RW段起始地址
|Image$$RW$$Limit| ：ZI段结束地址加1
|Image$$ZI$$Base| ：ZI段起始地址
|Image$$ZI$$Limit| ：ZI段结束地址加1
可以在程序中引用这些标号。需要注意的是，这些标号的值是根据ARM Linker中RO Base和RW
Base的设置来计算的，属于“Linker Address”或“Execution
Address”，并不一定代表这些段存放在Flash Memory中的地址，在编写复制程序时需要根据具体情况作相应的计算。
1．5 初始化Exception/Interrupt Handler Entry Table
在步骤1.2里已经提到，需要在这一步中填写各Exception Handler Routine的入口地址。由于IRQ
Exception为全部的中断所共用，因此必须在IRQ Exception Handler
Routine中根据中断状态寄存器判断中断源，并调用相应的Interrupt Handler
Routine。各Interrupt Handler
Routine的入口地址也存放在上述的Exception/Interrupt Handler Entry
Table中(紧接在HandleFIQ之后)，需要在这一步中填写，这里就不一一列出了。
另外，S3C44B0X处理器的Interrupt Controller支持两种中断处理模式：Vectored
Mode和Non-Vectored
Mode，其中前者可能是Samsung特有的模式，并不被其它ARM7内核所支持。考虑到代码的可移植性，以上讨论仅针对这里所使用的Non-Vectored
Mode。
1．6 初始化Device Drivers
在这一步中需要为Bootloader用到的一些关键Device
Drivers建立必要的数据结构，主要包括用于精确定时的Watchdog Timer
Driver和用于支持串行终端的UART Driver。
1．7 硬件初始化阶段二
继续对硬件进行初始化，主要包括：GPIO，Cache，Interrupt Controller，Watchdog
Timer和UARTs。S3C44B0X处理器内置data/instruction合一的8KB
Cache，且允许按地址范围设置两个Non-Cacheable区间。合理的配置是打开对RAM区间的Cache，关闭对其它地址区间(包含Flash
Memory区间)的Cache。所有硬件初始化完毕之后，开中断。
在步骤1.6和1.7中，仍然遵循“必要”的原则对硬件和Device
Drivers进行初始化。在目前阶段没有涉及的设备(如Ethernet
Controller)，可以留待使用它们之前再进行初始化。
1．8 建立人机界面
引导过程的最后一步是在串行终端上建立人机界面，并等待用户输入命令。合理的做法是先等待固定的秒数，若在此期间未接收到用户输入，则直接从Flash
Memory中加载and/or调用uClinux
Kernel。若接收到用户输入，则显示菜单模式或命令行模式的交互界面，等待用户进一步的命令。这里就不对此详细讨论了。
2．加载Kernel
Bootloader是否需要执行加载操作，取决于uClinux Kernel
Image的类型。根据不同的配置，可以生成下面几种uClinux Kernel Image：
2．1 非压缩，非XIP
XIP(eXecute In Place)是指不对代码段重新定位，在存放代码段的位置就地运行程序。该类型的uClinux
Kernel Image以非压缩格式存放在Flash Memory中，由Bootloader加载到RAM中并直接调用。
2．2 非压缩，XIP
该类型的uClinux Kernel Image以非压缩格式存放在Flash
Memory中，不需加载，由Bootloader直接调用。复制init段和data段，清零bss段的工作由Kernel自行完成。
2．3 RAM自解压
压缩格式的uClinux Kernel
Image都是由开头的一段自解压代码和后面的压缩数据部分组成。对于Kernel而言，由于是以压缩格式存放，因次只能以非XIP方式执行。RAM自解压类型的uClinux
Kernel Image存放在Flash
Memory中，由Bootloader加载到RAM中的一段临时空间，然后调用其自解压代码。可执行的uClinux
Kernel被解压到最终的执行空间，然后运行。压缩格式Image所占据的临时RAM空间可在随后由uClinux回收利用。
2．4 ROM自解压
解压缩操作也可以在Flash
Memory中完成。实际上，这意味着以XIP方式执行自解压代码。ROM自解压类型的uClinux Kernel
Image存放在Flash
Memory中，不需加载，由Bootloader直接调用其自解压代码。自解压代码自行复制其data段，清零bss段，然后将可执行的uClinux
Kernel解压到最终的执行空间并运行之。与RAM自解压相比，用ROM自解压方式引导uClinux并不真正节省RAM，而且在Flash
Memory中解压缩速度较慢，因此实用价值不大。
2．5 Memory Map
下面给出Bootloader和uClinux在存储和运行时的Memory Map。系统存储器由NOR Flash
Memory (2MB)和SDRAM(32MB)组成，Flash
Memory的地址范围从0x0到0x00200000，SDRAM的地址范围从0x0C000000到0x0E000000。
Flash Memory
0x00000000 ~ 0x00020000： 存放Bootloader
0x00020000 ~ 0x00200000： 存放所有类型的uClinux Kernel Image
运行2.2类型的uClinux Kernel
运行2.4类型的自解压代码
SDRAM
0x0C008000 ~ xxxxxxxx： 运行Bootloader
0x0C200000 ~ xxxxxxxx： 运行2.1，2.3，2.4类型uClinux Kernel
0x0C400000 ~ xxxxxxxx： 临时存放2.3类型压缩Image，并运行自解压
3．设置内核启动参数
Linux 2.4.x以后的内核都期望以标记列表(tagged
list)的形式来传递启动参数。每个标记存放在一个tag结构中，每个tag结构由标识被传递参数的tag_header结构以及随后存放的参数值组成。数据结构tag、tag_header以及各种参数的数据结构都定义在Linux内核源码的头文件linux/include/asm-armnommu/setup.h中。
通常需要由Bootloader设置的启动参数有：ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_SERIAL、ATAG_INITRD等。启动参数的标记列表以ATAG_CORE开始，以ATAG_NONE结束，代码示例如下。其中0x0C000100是内核启动参数在RAM中的基地址，指针params的类型是struct
tag。宏tag_next()以指向当前标记的指针为参数，计算下一个标记的起始地址。
params = (struct tag *)0x0C000100;
params->hdr.tag = ATAG_CORE;
params->hdr.size = tag_size(tag_core);
params->u.core.flags = 0;
params->u.core.pagesize = 0;
params->u.core.rootdev = 0;
params = tag_next(params);
……
params->hdr.tag = ATAG_NONE;
params->hdr.size = 0;
在Linux内核源码的linux/arch/armnommu/mach-s3c44b0/arch.c中设置内核启动参数在RAM中的基地址。如果Kernel不需要从Bootloader接收启动参数，下面代码中的“BOOT_PARAMS(0x0C000100)”这一行可以不写。
MACHINE_START(S3C44B0, "44B0EVAL")
MAINTAINER("XXX YYY")
BOOT_MEM(DRAM_BASE,0x00000000,0x00000000)
BOOT_PARAMS(0x0C000100)
INITIRQ(genarch_init_irq)
MACHINE_END
uClinux
Kernel处理启动参数时的代码调用关系可查阅linux/init/main.c和linux/arch/armnommu/kernel/setup.c：start_kernel()àsetup_arch()àparse_tags()。parse_tags()函数中调用parse_tag()函数依次处理每个标记。parse_tag()函数先判断tag_header结构中的标记类型，然后调用相应的处理函数。例如，调用parse_tag_cmdline()处理ATAG_CMDLINE标记，调用parse_tag_initrd()处理ATAG_INITRD标记，等等。对应关系如下：
static const struct tagtable core_tagtable[] __init = {
{ ATAG_CORE, parse_tag_core},
{ ATAG_MEM, parse_tag_mem32},
{ ATAG_VIDEOTEXT, parse_tag_videotext},
{ ATAG_RAMDISK, parse_tag_ramdisk},
{ ATAG_INITRD, parse_tag_initrd},
{ ATAG_SERIAL, parse_tag_serialnr},
{ ATAG_REVISION, parse_tag_revision},
{ ATAG_CMDLINE, parse_tag_cmdline}
};
对于Kernel Command
Line，parse_tag_cmdline()函数将用内核参数表中的命令字符串来覆盖default_command_line[]变量。如果Kernel不从Bootloader接收启动参数，也可以有两种方法来初始化Kernel
Command Line。在linux/arch/armnommu/kernel/setup.c中有：
static char default_command_line[COMMAND_LINE_SIZE] __initdata
= CONFIG_CMDLINE;
因此一种方法是在make menuconfig时通过修改“General Setup”子菜单中的“Default
kernel command
string”选项来定义linux/include/linux/autoconf.h头文件中的CONFIG_CMDLINE宏，另一种方法是在linux/arch/armnommu/kernel/setup.c中直接把default_command_line[]写死。
4．调用Kernel
Bootloader调用uClinux Kernel的方法是直接跳转到Kernel的第一条指令处。在跳转时要满足下列条件：
CPU寄存器r0＝0；
CPU寄存器r1＝Machine Type ID(S3C44B0X的Machine Type
ID定义在include/asm-arm/mach-types.h中：#define MACH_TYPE_S3C44B0
178。寄存器r1也可以在Kernel启动之初的head-armv.S中设置)；
禁止中断(IRQs和FIQs)；
CPU运行在SVC模式；
MMU必须关闭(S3C44B0X没有MMU)；
指令Cache可以打开也可以关闭，数据Cache必须关闭(S3C44B0X的Cache是指令与数据合一的，因此只能选择关闭)。
C代码调用Kernel的示例如下，其中r0和r1的值通过参数传递：
void (*CallKernel)(int zero, int mach) = (void (*)(int,
int))KERNEL_ADDR;
CallKernel(0, 178);
5．辅助功能
完整的Bootloader还应该支持从主机下载文件到目标板的RAM；用RAM中的数据烧写Flash
Memory；以及上述功能所需的人机交互接口。文件下载途径视目标板所提供的物理通讯接口而定，比较简单的方法一般是通过串口，用Xmodem或Ymodem协议下载，但速度较慢。目标板上只需要实现协议的接收部份，主机上可以用HyperTerminal等工具来发送文件。如果目标板提供Ethernet等快速接口，也可以移植一个简单的TCP/IP栈，用TFTP等标准文件传输协议下载。目前Flash
Memory一般都是用NOR
Flash，烧写是非常简单的；需要注意的是对于多数Flash芯片，在Erase/Program之前需要先Unprotect。人机交互接口不难在串行终端上实现，这里就不赘述了。
二． uClinux Kernel的调试
在移植uClinux的过程中，较为困难的是如何发现并解决Kernel启动阶段的问题。本节的内容主要取自网上的一篇文档《用AXD
+ Multi-ICE调试uClinux内核》，说明如何使用ADS和Multi-ICE工具对Kernel进行源代码级的调试。
首先是设置arm-elf-gcc编译器，使其能够输出dwarf-2格式的调试信息。修改linux/Makefile，将CFLAGS_KERNEL设置为-gdwarf-2，然后重新编译uClinux
Kernel：
CFLAGS_KERNEL = -gdwarf-2
把以下文件复制到Windows下：image.ram，System.map，linux以及一份编译时所用的内核源码。image.ram是上面提到过的非压缩/非XIP模式的Kernel
Image；System.map提供了各symbol所对应的地址；linux是一个ELF格式的文件，包含有AXD
Debugger所需的调试信息。
开发板上电，启动Multi-ICE Server，启动AXD Debugger。使用FileLoad Memory
From
File读入image.ram，其中基地址应设为Kernel的TEXTADDR，这里是0x0C200000。然后使用FileLoad
Debug
Symbols读入linux文件。把PC寄存器设置为image.ram的起始地址0x0C200000，此时在AXD
Debugger的Disassembly窗口中已能看到一些符号的名称。
在AXD Debugger中，Processor
ViewsSource，选择要调试的源码文件。例如，选择linux/init/main.c，在Kernel的入口函数start_kernel()中设置断点。也可以在System.map中查找到start_kernel的地址，然后在Disassembly窗口中跳到该地址并设置断点。最后Go，就可以从断点处开始调试了。
三． uClinux Kernel的移植
1． 相关的目录结构
Machine-Specific源代码： linux/arch/armnommu/mach-s3c44b0
Machine-Specific头文件： linux/include/asm-armnommu/arch-s3c44b0
通用的设备驱动程序： linux/drivers/block
linux/drivers/char
linux/drivers/mtd
linux/drivers/net
文件系统： linux/fs
网络协议栈： linux/net
其它linux/arch/armnommu 子目录下的Architecture-Specific源代码：
kernel： 核心内核代码；
mm： 内存管理代码；
lib： ARM-Specific或经过优化的内部库函数代码；
nwfpe/fastfpe： 浮点库的两种实现；
boot： 用于生成压缩内核镜像的代码；
tools： 用于自动生成头文件的配置脚本；
def-configs： 各Machine-Specific的缺省配置文件。
其它linux/include/asm-armnommu子目录下的Architecture-Specific头文件：
hardware： ARM-Specific芯片或设备的头文件；
mach： 多数Machine共有的一般性接口定义(如DMA/IRQ/PCI)；
proc-armo： 26-bit版本的ARM处理器相关头文件；
proc-armv： 32-bit版本的ARM处理器相关头文件。
2． 相关的源码文件和移植要点
现在结合源码文件，对一些移植过程中的要点进行讨论，目的是得到能够在Samsung
S3C44B0X开发板上运行的非压缩，非XIP模式的uClinux Kernel
Image。该Image由Bootloader加载并调用。
2．1 内核配置系统
Linux的内核配置系统由Makefile，配置脚本(config.in)和配置工具组成。当用户Make
config，Make menuconfig或Make
xconfig时，相应的配置工具按照配置脚本config.in的内容显示可用的配置选项。用户完成配置并存盘退出时，配置信息保存在配置文件.config中，原有的.config文件被更名为.config.old。Makefile根据.config中的配置信息，构造出需要编译的源文件列表，然后分别编译；并根据Makefile中指定的链接器脚本，把目标代码链接到一起，最终形成Linux
Kernel Image。
在配置脚本linux/arch/armnommu/config.in中，应给出可供用户选择S3C44B0X开发板的选项，并定义基于该处理器的开发板的一些重要参数，如存储器空间等：
comment 'System Type'
choice 'ARM system type' …… ……
S3C44B0 CONFIG_ARCH_S3C44B0 …… ……
if [ "$CONFIG_ARCH_S3C44B0" = "y" ]; then
define_bool CONFIG_NO_PGT_CACHE y
define_bool CONFIG_CPU_32 y
define_bool CONFIG_CPU_26 n
define_bool CONFIG_CPU_ARM710 y
define_bool CONFIG_CPU_WITH_CACHE y
define_bool CONFIG_CPU_WITH_MCR_INSTRUCTION n
define_bool CONFIG_SERIAL_S3C44B0 y
define_hex DRAM_BASE 0x0C000000
define_hex DRAM_SIZE 0x02000000
define_hex FLASH_MEM_BASE 0x00000000
define_hex FLASH_SIZE 0x00200000
fi
在针对ARM Architecture (NO
MMU)的linux/arch/armnommu/Makefile中，应为S3C44B0X开发板定义处理器类型(26-bit或32-bit)，Machine名称和代码段基地址，并指定链接器脚本为linux/arch/armnommu/vmlinux-armv.lds.in：
LINKFLAGS := -p -X -T arch/armnommu/vmlinux.lds
……
ifeq ($(CONFIG_CPU_32),y)
PROCESSOR = armv
endif
……
ifeq ($(CONFIG_ARCH_S3C44B0), y)
TEXTADDR = 0x0C200000
MACHINE = s3c44b0
endif
……
arch/armnommu/vmlinux.lds:
arch/armnommu/vmlinux-$(PROCESSOR).lds.in dummy
2．2 内核启动入口
在linux/Makefile中可以找到生成uClinux Kernel Image的规则为：
ifdef CONFIG_UCLINUX
LINUX=linux
endif
……
$(LINUX): $(CONFIGURATION) init/main.o init/version.o
init/do_mounts.o linuxsubdirs
$(LD) $(LINKFLAGS) $(HEAD) init/main.o init/version.o
init/do_mounts.o --start-group $(CORE_FILES) $(DRIVERS)
$(NETWORKS) $(LIBS) --end-group -o $(LINUX)
可见linux是由HEAD、main.o、version.o、do_mounts.o、CORE_FILES、DRIVERS、NETWORKS和LIBS组成的。这些变量定义了用于链接生成linux的目标文件和库文件列表。其中HEAD在linux/arch/armnommu/Makefile中定义，用来确定最先被链接进linux的文件：
HEAD := arch/armnommu/kernel/head-$(PROCESSOR).o
arch/armnommu/kernel/init_task.o
因此，可以确定入口代码是linux/arch/armnommu/kernel/head-armv.S。在前面介绍Bootloader时曾经提到，uClinux
Kernel在启动时要求把Machine Type
ID存放在寄存器r1中。如果Bootloader在调用Kernel时没有以参数传递的方式设置r1，则必须在head-armv.S中先对r1进行初始化：
……
#elif defined(CONFIG_ARCH_S3C44B0)
mov r1, #MACH_TYPE_S3C44B0
……
#endif
其中，宏MACH_TYPE_S3C44B0定义在头文件linux/include/asm-armnommu/mach-types.h中：
#define MACH_TYPE_S3C44B0 178
……
#ifdef CONFIG_ARCH_S3C44B0
#ifdef machine_arch_type
#undef machine_arc
