ARM汇编语言程序设计基础第10章Bootloader设计基础.ppt

第第10章章 Bootloader 设计基础设计基础10.1 Bootloader 概述 nBootloader，启动引导程序，又叫引导加载程序，功能强大的Bootloader也就直接叫做板级支持包（BSP,Board Support Packet）或者固件(Firmware)。近年来，为了方便嵌入式产品的推广，也有些直接将Bootloader叫做BIOS。BIOS是PC机的“基本输入输出系统”，烧录在电脑主板上一块专门的芯片中。一般BIOS由主板厂商或者专门的BIOS生产商提供，不是开源的，用户不能修改其中的代码进行定制。而嵌入式系统的开发则离不开Bootloader的开发，它也是整个系统开发中的难点之一。10.1.1 Bootloader 的作用 nBootloader是在嵌入式操作系统内核运行之前运行的一段小程序，也是系统开机后执行的第一段程序。通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间，从而将系统的软硬件环境设置成一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。Bootloader是依赖于底层硬件而实现的，因此建立一个通用的嵌入式系统Bootloader几乎是不可能的。n在PC机中，主板的BIOS和位于硬盘0磁道上的主引导记录(Master Boot Record,MBR)中的引导程序（如LILO或GRUB等）,两者一起的作用就相当于Bootloader在嵌入式系统中的作用，即实现整个系统的启动引导，并最终能引导操作系统的运行。10.1.1 Bootloader 的作用n在嵌入式系统中，Bootloader对嵌入式设备中的主要部件如CPU、SDRAM、FLASH、串口等进行了初始化，这样可以使用Bootloader通过串口下载各种文件到设备的SDRAM中或者烧录Flash，然后将操作系统内核读入到内存中来或者直接跳转到内核的入口点，从而实现操作系统的引导。现在有些Bootloader也把对以太网的支持等功能也加进去了，这样一个功能比较强大的Bootloader实际上就已经相当于一个微型的操作系统了。10.1.1 Bootloader 的作用nBootloader从第一条指令跳转后，就开始初始化各种最重要的硬件，比如CPU的工作频率、定时器、中断、看门狗、检测RAM大小和Flash等。一般，硬件初始化的这段程序是用汇编语言编写的，其后就用C语言编写。总体上Bootloader主要完成以下工作：10.1.1 Bootloader 的作用n初始化CPU速度；n初始化内存，包括启用内存库，初始化内存配置寄存器等；n初始化中断控制器，在系统启动时，关闭中断，关闭看门狗；n初始化串行端口（如果在目标上有的话）；n启用指令/数据高速缓存；n设置堆栈指针；n设置参数区域并构造参数结构和标记,即引导参数；n执行POST（上电自检）来标识存在的设备并报告有何问题；n为电源管理提供挂起/恢复支持；n传输操作系统内核镜像文件到目标机。也可以将操作系统内核镜像文件事先存放在Flash中，这样就不需要Bootloader和主机传输操作系统内核镜像文件，这通常是在做成产品的情况下使用。而一般在开发过程中，为了调试内核的方便，不将操作系统内核镜像文件固化在Flash中，这就需要主机和目标机进行文件传输；n跳转到内核的开始，在此又分为ROM启动和RAM启动。所谓ROM启动就是用XIP技术直接在Flash中执行操作系统镜像文件；所谓RAM启动就是指把内核镜像从Flash复制到RAM中，然后再将PC指针跳转到RAM中的操作系统启动地址。10.1.1 Bootloader 的作用n在嵌入式Linux软件系统的开发中，一般将软件分为启动引导程序(Bootloader)、操作系统内核(OS Kernel)、根文件系统(File System)、图形窗口系统(GUI)和应用程序(AP)等几个部分，其中前三部分是一个可运行的嵌入式系统必不可少的，它们在开发的过程中，被分别独立地编译链接或打包为一个二进制目标文件，然后下载（烧录）到嵌入式系统的ROM（一般是Flash）中。后两部分如果有的话，n通常也是和根文件系统一n起打包后烧录到Flash中。n因此，在Bootloader阶段，n也提供了对Flash设备的分n区格式化的支持，其空间n分配通常如图所示。10.1.2 Bootloader 的工作模式的工作模式n对于嵌入式系统的开发人员而言，Bootloader通常包含“启动加载”和“下载”这两种不同的工作模式。当然，这两种工作模式的区别一般仅仅对于开发人员才有意义，而对最终用户来说，Bootloader 的作用就是用来加载操作系统，从而启动整个嵌入式系统。10.1.2 Bootloader 的工作模式的工作模式n启动加载（Boot loading）模式 正常启动模式 n下载（Downloading）模式提供给开发人员或者技术支持人员使用 10.1.3 Bootloader 的启动流程的启动流程 n分为stage1和stage2两个阶段 一般依赖于 CPU 体系结构的代码，比如设备初始化代码等，都放在stage1中，而且通常都用汇编语言来实现，以达到短小精悍且启动快的目的；而 stage2 则通常用C语言来实现，这样可以实现各种复杂的功能（比如串口、以太网接口的支持等）Bootloader的第一阶段 1.硬件设备初始化2.为加载 Bootloader 的 stage2 准备 RAM 空间 3.拷贝 Bootloader的 stage2 到 RAM 空间中4.设置好堆栈 5.跳转到 stage2 的 C 入口点main()函数处Bootloader的第二阶段 1.初始化本阶段要使用到的硬件设备2.检测系统内存映射(memory map)3.将 kernel 映像和根文件系统映像从 flash 上读到 RAM 空间中4.为内核设置启动参数5.调用内核10.2 S3C2410 平台下平台下Linux的的BootloadernVivinU-BOOT10.2 S3C2410 平台下平台下Linux的的Bootloadern1.vivi简介简介nvivi是由韩国mizi公司为ARM处理器系列设计的一个bootloader。它同样支持启动加载模式和下载工作模式。n在下载模式下，vivi为用户提供一个命令行人机接口，通过这个人机接口可以使用vivi提供的一些命令。如果嵌入式系统没有键盘和显示，那么可以利用vivi中的串口，将其和宿主机连接起来，利用宿主机中的串口软件（如windows中的超级终端或者Linux中的minicom）来控制。10.2.1 vivinvivi常用的命令 Load,Part,bon,Param,Boot,Flashnvivi文件结构文件结构代码包括代码包括arch，init，lib，drivers和和include等等几个目录，共几个目录，共200多条文件多条文件nvivi的配置和编译的配置和编译#make distclean。清除一些早先生成的无用。清除一些早先生成的无用的目标文件。的目标文件。#make menuconfig。然后可以根据菜单中的。然后可以根据菜单中的信息进行配置。信息进行配置。make”命令开始编译命令开始编译 10.2.1 vivi10.2.1 vivin3.vivi的配置和编译的配置和编译nvivi的配置和嵌入式Linux内核一样，可以采用菜单化的形式进行。其步骤主要如下：n#make distclean。清除一些早先生成的无用的目标文件。n#make menuconfig。然后可以根据菜单中的信息进行配置。n编译。菜单配置完毕后，保存退出。然后执行“make”命令开始编译。10.2.1 vivinvivi的第一阶段主要完成了依赖于CPU的体系结构硬件初始化，包括禁止中断、初始化串口、复制第二阶段到RAM中等。由于这些代码是和硬件紧密相关的,因此要求读者在阅读时对照S3C2410处理器的数据手册,查阅相关的寄存器的描述，以便更好地理解。这些汇编代码全部就集中在viviarchs3c2410目录下的head.S这一个汇编文件中，当然还有相关的头文件。10.2.1 vivinvivi第二阶段的分析第二阶段的分析nvivi的第二阶段的入口就是init/main.c，按照源代码的组织流程，根据模块化划分的原则，共分为8个功能模块即八个步骤，在源代码的注释中以step非常清晰的给出了区分。10.2.1 vivin第一步：vivi从main()函数开始执行，函数开始通过 putstr(vivi_bannner)打印出vivi的版本。n第二步：主要是初始化GPIO，本的思路和方法就是在把握好整个系统硬件资源的前提下，根据芯片的数据手册把所有的初始值设定，在这里利用set_gpios这个函数就可以完成初始化了。10.2.1 vivin第三步：进行内存映射初始化和内存管理单元（MMU）的初始化工作 n第四步：初始化堆，然后内存会发生变化。在这里，实际上就是实现动态内存分配策略。10.2.1 vivin第五步：初始化mtd设备 n第六步：配置参数，主要是init_priv_data函数。n第七步：提供vivi人机接口的各种命令。n第八步：进入Bootloader的两种模式之一.10.2.2 U-bootnU-Boot，全称Universal Bootloader，是遵循GPL条款的开放源码项目 n它还支持NetBSD,VxWorks,QNX,RTEMS,ARTOS,LynxOS等嵌入式操作系统。其目前主要支持的目标操作系统有OpenBSD,NetBSD,FreeBSD,4.4BSD,Linux,SVR4,Esix,Solaris,Irix,SCO,Dell,NCR,VxWorks,LynxOS,pSOS,QNX,RTEMS,ARTOS等，因此功能比较强大，这也是U-Boot中Universal的一层含义。10.2.2 U-bootnU-Boot的主要特点有：n 开放源码；支持多种嵌入式操作系统内核，如Linux、NetBSD,VxWorks,QNX,RTEMS,ARTOS,n LynxOS；支持多个处理器系列，如PowerPC、ARM、x86、MIPS、XScale；较高的可靠性和稳定性；较高的可靠性和稳定性；高度灵活的功能设置，适合U-Boot调试、操作系统不同引导要求、产品发布等；丰富的设备驱动源码，如串口、以太网、SDRAM、FLASH、LCD、NVRAM、EEPROM、RTC、键盘等；较为丰富的开发调试文档与强大的网络技术支持；10.2.2 U-bootn常用命令:Help/?Bdinfo setenv printenv saveenv mw md mm flin foerase起始地址 结束地址.cp源地址 目标地址大小 imi起始地址 bootm起始地址 tftboot起始地址 镜像名 reset10.2.2 U-bootnU-boot文件结构文件结构nU-boot代码采用了一种高度模块化的编程方式,与移植树有关的有以下几个目录.nboard：这个目录存放了所有U-boot支持的目标板的子目录,如board/smdk2410/*就是我们说关心的.要将U-boot移植到自己的s3c2410 x目标板上,必须参考这个目录下的内容,比如对比Flash以及Flash宽度和大小的定制邓就要修改其中的flash.c。ncommon：独立于处理器体系结构的通用代码，如内存大小探测与故障检测；cpu：与处理器相关的文件。如mpc8xx子 目录下含串口、网口、LCD驱动及中断初始化等文件；10.2.2 U-bootndriver：通用设备驱动，如CFI FLASH 驱动(目前对INTEL FLASH支持较好)nfs：这个目录中存放了U-boot支持的文件系统.examples：可在U-Boot下运行的示例程序；如hello_world.c,timer.c；nInclude：U-Boot头文件；这个目录存放头文件的公共目录,其中include/configs/smdk2410.h定义了所有和 S3C2410X相关的资源的配置参数,我们往往只需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。10.2.2 U-bootn lib_xxx：处理器体系相关的文件，如lib_ppc,nlib_arm：目录分别包含与PowerPC、ARM体系结构相关的文件；nnet：与网络功能相关的文件目录，如bootp,nfs,tftp；npost:上电自检文件目录。尚有待于进一步完善；nrtc rtc:驱动程序；ntools:用于创建U-Boot S-RECORD和BIN镜像文件的工具；10.3 其他常见的Bootloader n 1.WinCE的Bootloader Nboot和Eboot是WinCE的Bootloader。Nboot是nand flash bootloader的简写，CPU可以直接从nand flash 启动，但是其代码大小不能超过4k，功能有限；Eboot则支持ethernet network（以太网），功能强大，用于 Ehternet在线调试和下载。Eboot提供的命令命令说明Help列出所有支持的命令并加以说明Eboot从宿主机上通过网线下载CE映像并加载Write向某一内存地址写入数据Read显示某一内存地址的数据Jump跳转到某一地址执行程序Xmodem从计算机的超级终端接收以Xmodem协议传送的文件Toy测试平台CPU的计数器是否运转Flash擦除或者更新Flash中的数据Tlbread显示CPU的所有TLB表Tlbwrit设置CPU的TLBMacaddr设置CPU的MAC地址Seti设置平台的IP地址n2.BlobBlob是Bootloader Object的缩写，是一款功能强大的Bootloader，目前常用于Intel推出的Xscale架构的CPU的引导，譬如SA1110、PXA255/270等。nBlob的代码也可以分为两个阶段。第一阶段从start.s文件开始，这也是开机执行的第段代码，这部分代码是在Flash中运行，主要功能包括对S3C2410的一些寄存器的初始化和将Blob第二阶段代码从Flash拷贝到SDRAM中。这一阶段的代码被编译后最大不能超过1kB。第二阶段的起始文件为trampoline.s，被复制到SDRAM后，就从第一阶段跳到这个文件开始执行，先进行一些变量设置、堆栈的初始化等工作后，跳转到main.c进入C函数。第二阶段最大为63KB