解析單片機上應用的一款Boot Loader

BootLoader的概念及功能

在以ARM為代表的嵌入式系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)內(nèi)核運行前的硬件初始化、建立內(nèi)核鏡像等都是由BootLoader來完成的。在PC機上，最先啟動的是主板上的BIOS， BIOS負責對硬件初始化，給操作系統(tǒng)提供硬件的接口函數(shù)等等，但在嵌入式操作系統(tǒng)中并沒有BIOS，因此整個嵌入式操作系統(tǒng)的加載啟動任務就完全由 BootLoader來完成。




圖1BootLoader流程圖

BootLoader 通常存放于目標平臺的非易失存儲介質(zhì)中，主要用于完成由硬件啟動到操作系統(tǒng)啟動的過渡，能夠在上電后對SDRAM、CACHE、FLASH等硬件部分進行檢測，建立內(nèi)存空間的映射圖和內(nèi)核鏡像，建立通訊通道和調(diào)試通道等，還能夠提供ShellMenu檢測設(shè)置菜單和相應的檢測程序，引導操作系統(tǒng)及應用程序，從而為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準備好正確的環(huán)境。

目前，嵌入式系統(tǒng)中廣泛應用的UBoot、vivi、blob、 armboot等BootLoader在原有功能的基礎(chǔ)上，增加了更多的功能并大大增強了移植性。嵌入式系統(tǒng)中硬件的種類繁多，差距較大，而 BootLoader是嚴重依賴于硬件而實現(xiàn)的。不同的CPU體系需要不同的BootLoader，即便是同一種體系結(jié)構(gòu)，由于其它硬件設(shè)備配置的不同，如板卡硬件地址的分配、RAM芯片的型號等，也需要對BootLoader作一定的修改才能使用。因此，開發(fā)人員需針對不同的處理器和開發(fā)板，對 BootLoader進行定制，來實現(xiàn)不同的功能。

BootLoader的操作模式

BootLoader通常包括“啟動加載(Bootloading)”和“下載(Downloading)”兩種模式。這兩種操作模式僅對開發(fā)人員具有一定的意義。

啟動加載模式：BootLoader從目標機上的固態(tài)存儲設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中運行，無需用戶介入。此模式是BootLoader正常的工作模式。

下載模式：在這種模式下，目標機上的BootLoader通過串口連接或網(wǎng)絡連接等手段從主機上下載文件到目標機的RAM中，然后再燒寫到目標機上的固態(tài)存儲設(shè)備中。通常在第一次安裝內(nèi)核與根文件系統(tǒng)以及系統(tǒng)的更新時使用此模式。

BootLoader的具體實現(xiàn)

硬件配置

本文以UP-NetARM3000為例來介紹BootLoader的工作機理和運行流程。UP-NetARM3000使用的是三星公司生產(chǎn)的 S3C44B0X芯片，這是三星公司推出的一款高性價比和高性能的微控制器。它具有32位的ARM7TDMI內(nèi)核，外部時鐘為8MHz，內(nèi)部倍頻最高可達 72MHz，工作頻率為64MHz。S3C44B0X通過提供全面的、通用的片上外設(shè)，大大減少了系統(tǒng)中處理器以外的元器件配置，從而使系統(tǒng)的成本大大降低，它集成的各種片上功能包括：8KBCache、擴展內(nèi)存控制器、2通道UART帶有握手協(xié)議、1通道SIO、2個通用DMA、2個外設(shè)用DMA、外部存儲控制器、LCD控制器、IIC/IIS總線接口、5個通道PWM定時器和一個內(nèi)部定時器、看門狗定時器、71個通用I/O口、8個外部中斷源、8通道10位ADC、片上PLL時鐘產(chǎn)生器等。

BootLoader的啟動流程

大多數(shù) BootLoader通常都分為Stage1和Stage2兩大部分。Stage1通常由匯編語言編寫，即BootLoader的啟動代碼，旨在對部分硬件設(shè)備進行初始化。Stage2即BootLoader的主代碼，為了實現(xiàn)更加復雜的功能，使代碼具有更好的可讀性和可移植性，通常由Ｃ語言來實現(xiàn)，主要用來加載操作系統(tǒng)內(nèi)核。具體啟動流程如圖1所示。

·Stage1部分

設(shè)置CPU的速度、時鐘頻率及中斷控制寄存器

BootLoader 的啟動代碼首先定義了一個全局入口，然后對異常向量進行設(shè)置。由于BootLoader嚴重的依賴于硬件而實現(xiàn)，因此根據(jù)CPU體系結(jié)構(gòu)和具體的硬件配置來設(shè)置CPU的速度、時鐘頻率及中斷控制寄存器。除完成上述功能，啟動代碼還需要實現(xiàn)禁止看門狗定時器、設(shè)置時鐘控制寄存器、設(shè)置鎖相環(huán)控制寄存器、使能所有功能單元塊時鐘等功能。另外，系統(tǒng)中斷的設(shè)置也是在這部分實現(xiàn)的，主要是中斷向量表和IRQ中斷入口地址的設(shè)置。

存儲器的分配

S3C44B0X的存儲系統(tǒng)具有一些主要特征，如：支持數(shù)據(jù)存儲的大、小端選擇；地址空間具有8個存儲體，每個存儲體可達32MB；對所有存儲體的訪問大小均可以進行改變；7個存儲器的起始地址固定，1個存儲器的起始地址可變。在本文介紹的這款 BootLoader中，啟動代碼通過對BUSWIDTH的賦值來使能各個存儲器。其具體對應情況如右面所示：

啟動代碼還有一個重要的任務—初始化內(nèi)存控制寄存器，它主要通過設(shè)置13個從0x01c80000開始的寄存器來實現(xiàn)，包括BWSCON總線寬度與等待狀態(tài)控制寄存器、BANKCONn塊控制寄存器。標號SMRDATA處為將要賦予內(nèi)存控制寄存器的具體值。以ResetHandler標號地址為參照，根據(jù)其偏移地址推算出SMRDATA標號地址的實際位置，然后讀取該處的數(shù)據(jù)對內(nèi)存控制寄存器進行賦值。






圖2映像文件地址映射

形成可執(zhí)行文件

在嵌入式系統(tǒng)應用程序中，可執(zhí)行文件通常包括RO(Read_Only)段、RW(Read_Write)段和BSS段。當需要燒寫內(nèi)存中的映像文件到 FLASH中時，通常都會把BootLoader代碼先移到FLASH的高地址空間中，因為通常RO的地址都是0x0，防止在燒寫時覆蓋本來在 FLASH中已有的BootLoader代碼。程序編譯、鏈接時要求編譯器設(shè)置的Read_Only地址要和最終代碼下載的地址相同，如圖2所示。

BootLoader 映像文件最終運行的地址空間是0Bank，因此將ROBase設(shè)置為0x0,RWBase設(shè)置為0x0c60000，經(jīng)編譯后生成bin格式的可執(zhí)行文件燒寫到FLASH0地址處。在程序運行之前，RO段和RW段全部放在FLASH中，RO段可以直接在FLASH中運行，而RW必須調(diào)入SDRAM中才可以運行，因此，程序運行過程中RO段保持已設(shè)置完畢的0x0地址不變，而必須將RW段拷貝到RWBase即0x0c60000地址處，并將ZI段進行零初始化。



·Stage2部分

初始化硬件

BootLoader 主程序?qū)Υ谶M行調(diào)試并對本階段所涉及的硬件進行檢測后，通過串口下載鏡像到目標機中。主代碼中定義了LCD_Test()、LED_Test()、 ADTest()、KeyTest()、BootSystem()等函數(shù)測試部分硬件的功能。以AD的檢測函數(shù)為例簡要介紹檢測函數(shù)功能具體的實現(xiàn)。 ADTest_Loop()是針對AD硬件的操作函數(shù)，而Set_UartLoopFunc()函數(shù)是把ADTest_Loop()設(shè)置到串口輪詢函數(shù)數(shù)組中(串口輪詢函數(shù)數(shù)組中還包括其他的檢測函數(shù))，AD檢測函數(shù)在對目標進行操作的同時查詢是否有停止命令，如果Uart_Getch()函數(shù)沒有查詢到串口有輸入的停止命令，調(diào)用串口輪詢數(shù)組中的其他函數(shù)，否則立刻返回。



檢測內(nèi)存及引導系統(tǒng)

在BootLoader的主程序中需要檢測重要的硬件——內(nèi)存，檢測完畢后會分別通過串口和LCD輸出提示信息。接下來會等待查詢是否有鍵按下，當沒有鍵按下時，正常引導操作系統(tǒng)，否則顯示ShellMenu。

BootLoader 程序在獲得系統(tǒng)的控制權(quán)之后，對關(guān)鍵硬件檢測并且沒有發(fā)現(xiàn)故障，控制臺也沒有發(fā)出啟用ShellMenu檢測菜單的情況下，根據(jù)文件系統(tǒng)的管理和支持，從NANDFLASH中讀取操作系統(tǒng)或應用程序的代碼到SDRAM的指定位置，然后把程序指針轉(zhuǎn)移到該位置，從而使操作系統(tǒng)獲得控制權(quán)，完成引導過程。

staticvoid(*run)(void)=(void(*)(void))DOWNLOAD_ADDRESS，在程序中定義得此函數(shù)指針能夠把指定位置的地址強制轉(zhuǎn)換為函數(shù)指針類型，然后使用run()函數(shù)即可運行該地址處的指令。在實現(xiàn)引導功能的代碼中，打開并讀取指定的系統(tǒng)文件到指定的位置DOWNLOAD_ADDRESS(0xc080000)處即完成了裝載，將程序指針指向已指定的這個位置，使用run ()函數(shù)運行該地址處的指令，即可實現(xiàn)控制的轉(zhuǎn)移。當看到屏幕上顯示操作系統(tǒng)的啟動信息后，BootLoader完成任務，成功的引導了操作系統(tǒng)。

結(jié)語

本文介紹了在基于S3C44B0X的UP-NETARM3000的實驗板上移植uCOS系統(tǒng)的 BootLoader。不同的開發(fā)板具有不同的CPU體系結(jié)構(gòu)和外圍硬件設(shè)備，但BootLoader的工作機理都是類似的，明確開發(fā)板的硬件資源和具體即將移植的操作系統(tǒng)后，對BootLoader進行具體裁減和修改。