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[轉(zhuǎn)]基于ARM的嵌入式BootLoader設計與啟動過程 [復制鏈接]

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發(fā)表于 2008-07-08 16:20 |只看該作者 |倒序瀏覽
作者:單承剛 戴學豐 劉樹東 崔登志  來源于: 微計算機信息  發(fā)布時間:2007-5-26 11:34:00
摘要:本文總結了基于S3C44B0X芯片的Bootloader代碼設計的一般流程,具體說明了Bootloader完成的主要任務,實現(xiàn)方法和地址重映射的概念;給出了S3C44B0X在基于uCLinux操作系統(tǒng)的嵌入式應用中,Bootloader的引導過程及關鍵技術和代碼,有著很好的借鑒價值。
關鍵詞: 嵌入式系統(tǒng)  Bootloader代碼  地址重映射  S3C44B0X  uCLinux  

1 引言

近年來,ARM在嵌入式設備中的應用越來越廣泛。S3C44B0X就是Samsung公司生產(chǎn)的基于ARM7架構的微處理器。uCLinux是專門為無MMU處理器設計的嵌入式操作系統(tǒng),支持ARM、Motorola等處理器。采用ARM+uCLinux作為嵌入式開發(fā)平臺,吸取了兩者優(yōu)點,是一種比較流行的開發(fā)方式。在ARM程序設計中,啟動代碼是至關重要的,它不僅初始化硬件系統(tǒng)本身,而且最終引導進入操作系統(tǒng),所以啟動代碼的設計直接影響整個開發(fā)的正常進行。本文結合S3C44B0X的特點詳細給出了Bootloader設計和啟動過程。

2 BootLoader代碼

    Bootloader代碼是芯片復位后進入操作系統(tǒng)之前執(zhí)行的一段代碼,主要是為操作系統(tǒng)提供基本的運行環(huán)境,由它最終將操作系統(tǒng)啟動起來并將控制權交給操作系統(tǒng)內(nèi)核。

Bootloader代碼由匯編代碼和C代碼兩部分組成。由于資源有限,Bootloader、uCLinux內(nèi)核映象、文件系統(tǒng)(Ramdisk壓縮映象)通常都是固化在Flash中的。在S3C44B0X架構的嵌入式系統(tǒng)中,為了保證上電或復位時正常運行, Bootloader必須存放在Flash(0x0-0x400000,

4M)中的0x0處,則在硬件設計中把Flash接在CPU的nGCS0處[1]。上電后 Bootloader首先完成存儲器、堆棧、寄存器、全局變量和基本硬件模塊的初始化,這由匯編代碼完成,然后將操作系統(tǒng)內(nèi)核與文件系統(tǒng)調(diào)入SDRAM (0x0c000000-0x0c800000,8M)中,并將PC指針指向操作系統(tǒng)內(nèi)核的入口處,為操作系統(tǒng)的運行作好準備,這由C代碼完成。

3 BootLoader代碼設計流程

    ARM芯片多數(shù)為復雜的片上系統(tǒng)(SOC),系統(tǒng)里許多硬件模塊都可由軟件來設置。系統(tǒng)的初始化直接聯(lián)系到處理器內(nèi)核和硬件控制器,進行編程一般用匯編語言。根據(jù)具體的目標系統(tǒng),Bootloader的設計流程包括:⑴設置異常向量表 ⑵初始化存儲器系統(tǒng) ⑶堆棧初始化 ⑷C例程全局變量初始化 ⑸呼叫主程序

3.1 設置異常中斷向量表

ARM處理器的中斷向量表從地址0x0處開始存放,連續(xù)有8×4字節(jié)的空間。在ARM存儲空間里每個字32位,占4個字節(jié)?梢酝ㄟ^圖1來描述中斷向量表的地址分配。

每當有中斷或者異常發(fā)生時,ARM處理器便強制把PC指針指向向量表中對應中斷類型的地址值。為了加快中斷響應,我們在Flash的0x0地址存放能跳轉(zhuǎn)到0x0c000008地址處中斷向量的跳轉(zhuǎn)指令,即在RAM中建立一個二級中斷向量表,起始地址為0x0c000008,除復位外,其它異常入口地址由Flash跳轉(zhuǎn)得到,如表1所示:

       圖 1 中斷向量表                 表 1 異常向量表跳轉(zhuǎn)關系

3.2 初始化存儲器系統(tǒng)

存儲器系統(tǒng)的初始化是指對Flash、RAM存儲器的地址范圍,數(shù)據(jù)總線寬度及DRAM的刷新等進行軟件設置。設置對象是存儲器控制寄存器,芯片不同具體的設置不同。本文僅以開發(fā)中用到S3C44B0X為例,說明這部分程序設計的過程。

memsetup:  ldr       r0, =MEMORY_CONFIG

               ldmia       r0, {r1-r13}

               ldr          r0, =0x01c80000

               stmia       r0, {r1-r13}

其中MEMORY_CONFIG地址處定義了配置rBWSCON, rBANKCONn(n=0-7),rREFRESH,

rBANKSIZE,rMRSRB6,rMRSRB7寄存器的值(依次為0x11000100,0x700,0x700,0x7ffc,0x7568

,0x700,0x700,0x18008,0x18000,0xac03e1,0x16,0x020,0x020)。

圖 2 地址映射關系

地址重映射通常把位于Flash的0x0處異常向量表映射到更快、更寬(32bit/16bit)的RAM中,并把0地址重新指向到RAM中去.圖2描述了Remap前后的地址映射關系,復位時ROM定位到0x0,實際的跳轉(zhuǎn)地址為ROM的Reset Handler處,Remap后0x0的ROM替換為RAM,并把中斷向量表拷貝到0x0。Remap的實現(xiàn)和ARM處理器硬件特性相關。在 S3C44B0X系統(tǒng)中,既沒有MMU也不支持Remap,為了實現(xiàn)快的啟動和異常處理速度,在Bootloader程序設計中,我們把RAM中的 0x0c000008地址當成0x0地址處理,即在這里開始存放程序中斷向量,而在Flash的0x0地址存放能跳轉(zhuǎn)到0x0c000008地址處中斷向量的跳轉(zhuǎn)指令。支持Remap的處理器有的通過寄存器的相應Bit位置1來完成,有的通過軟件設計改寫Memory起始地址的Bank寄存器完成[2]。

[ 本帖最后由 dreamice 于 2008-7-8 16:25 編輯 ]

figure1.gif (7.64 KB, 下載次數(shù): 62)

figure1.gif

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發(fā)表于 2008-07-08 16:21 |只看該作者

繼續(xù):

3.3 初始化堆棧

ARM處理器有7種工作模式,每種模式都有獨立的堆棧指針寄存器(SP),并定義相應地址。改變狀態(tài)寄存器(CPSR)的狀態(tài)位,可使處理器切換到不同模式,然后給SP賦值,就實現(xiàn)了堆棧的初始化。需注意的是:不要切換到用戶模式進行本模式的堆棧設置,因為進入該模式后就不能修改CPSR回到別的模式了,會影響程序的順利執(zhí)行[3]。初始化堆棧的代碼如下所示:(以2個不同的SP寄存器SP_IRQ、SP_FIQ為例)

InitStacks:  mrs  r0,cpsr                 ;CPSR=》R0

             bic  r0,r0,#MODEMASK|NOINT   ;屏蔽模式位和中斷

orr  r1,r0,#IRQMODE|NOINT    ;MODEMASK =0x1f, NOINT = 0x80

            msr  cpsr_cxsf,r1            ;轉(zhuǎn)到IRQ模式

            ldr  sp,=IRQStack            ;設置SP_irq

             orr  r1,r0,#FIQMODE            

            msr  cpsr_cxsf,r1             ;轉(zhuǎn)到FIQ模式

            ldr  sp,=FIQStack  

3.4 C例程全局變量初始化

全局變量的初始化,就是完成從ROM到RAM的數(shù)據(jù)傳輸和內(nèi)容清零。可執(zhí)行程序的映像結構由RO段、RW段和ZI段三部分組成,分別為只讀數(shù)據(jù)段、可寫數(shù)據(jù)段和堆棧段。其中RO段在Flash和RAM里都可運行;而RW和ZI段是必須轉(zhuǎn)移到RAM中去的。盡管RAM的運行速度比Flash快的多,但由于RO段比較小,拷貝到RAM也需要時間,還要程序跳轉(zhuǎn),一比較兩者的啟動時間差不多,最終我們選擇讓RO段在Flash中運行。

開發(fā)工具中的鏈接器(Linker)提供了一定的機制來幫助我們完成這部分工作,其中|Image$$ZI$$ Base|,|Image$$ZI$$Limit|,|Image$$RW$$Base|,|Image$$RO$$Limit|是由鏈接器定義輸出的。主要是輸出段的起始和終止定位信息,具體程序?qū)崿F(xiàn)如下:

startram :  LDR    a1,=|Image$$ZI$$Base|    ;ZI段在RAM里面的起始地址

            MOV   a3,#0                    ;寄存器清0               

            LDR   a2,=|Image$$ZI$$Limit|   ;ZI段在RAM里面的結束地址

            CMP   a1,a2                                                

            BEQ   move_data                                            

clear_loop : STR   a3,[a1],#4               ;清一個字為0, a1 += 4   

            CMP   a1,a2                                                   

            BNE   clear_loop                                                                                                                                                                                      

move_data   LDR    a1,=|Image$$RW$$Base|    ;RW段在RAM中的起始地址   

           LDR    a2,=|Image$$RO$$Limit|   ;RW段在ROM中的起始地址   

            LDR    a3,=|Image$$ZI$$Base|    ;RW段在RAM中的結束地址                                                                              

           CMP    a1,a3                                                

           BEQ    goto_main                                            

move_loop : LDR    a4,[a2],#4                                          

           STR    a4,[a1],#4               ;拷貝一個字,a1 += 4, a2 += 4

           CMP    a1,a3                                 

           BNE    move_loop                                                                                         

goto_main :  BL   Main

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接上

3.5 呼叫主程序

當系統(tǒng)初始化完成后,就要轉(zhuǎn)入主程序,可由跳轉(zhuǎn)指令來完成。這部分代碼為C程序,主要負責uCLinux內(nèi)核拷貝、 Ramdisk文件系統(tǒng)加載、設置啟動參數(shù)和串口通信等功能.程序最終完成內(nèi)核壓縮文件和Ramdisk到RAM的拷貝,后跳轉(zhuǎn)到RAM中Linux Kernel的首地址,并交出控制權,到此Bootloader的任務完成。其中uCLinux在RAM中的空間分配為0x0c000000

-0x0c008000(uCLinux內(nèi)核調(diào)度用),0x0c008000-0x0c300000(uCLinux Kernel),0x0c300000

-0x0c800000(uCLinux Ramdisk)。以下程序為uCLinux內(nèi)核和Ramdisk文件系統(tǒng)拷貝過程,F(xiàn)LASH_UC_KERNEL,F(xiàn)LASH_UC_RAMDISK分別為內(nèi)核和文件系統(tǒng)在Flash的起始地址,RAM_UC

_ZIMAGE,RAM_UC_RAMDISK分別為RAM中uCLinux內(nèi)核和文件系統(tǒng)的起始地址,F(xiàn)LASH_LEN_UC_

KERNEL,F(xiàn)LASH_LEN_UC_RAMDISK分別為兩者大小,拷貝完后,PC指針指向RAM_UC_ZIMAGE。程序主要部分如下:

/* Copy  uClinux Kernel */

    pSource = (unsigned int *)FLASH_UC_KERNEL;

    pDest = (unsigned int *)RAM_UC_ZIMAGE;

    for (loopcnt = 0;loopcnt < (FLASH_LEN_UC_KERNEL>>2);loopcnt++)

    {   *pDest++ = *pSource ++;  }

/* Copy ramdisk */

    pSource = (unsigned int *)FLASH_UC_RAMDISK;

    pDest = (unsigned int *)RAM_UC_RAMDISK;

    for (loopcnt = 0;loopcnt< (FLASH_LEN_UC_RAMDISK>>2); loopcnt++)

    {   *pDest++ = *pSource ++;  }

/* Start Kernel */

    fp = (UClinux_Entry)RAM_UC_ZIMAGE;

    (*fp)(0);

4  uCLinux操作系統(tǒng)啟動過程

本系統(tǒng)采用RAM中啟動方式,將Flash中的內(nèi)核先拷貝到RAM的某一段地址區(qū)間,再從該區(qū)間的首地址運行 uCLinux內(nèi)核。當Bootloader完成系統(tǒng)初始化和拷貝完內(nèi)核和Ramdisk以后,交出控制權,系統(tǒng)開始從RAM中執(zhí)行uCLinux內(nèi)核的引導程序Head.s,并將控制權交給它。在uCLinux中,Head.s在uCLinux-dist/linux- 2.4.x/arch/armnommu/boot/compressed/head.s

里。Head.s非常關鍵,它完成了加載內(nèi)核的大部分工作,主要是調(diào)用Misc.c中的解壓內(nèi)核函數(shù) (decompress_kernel)來完成,另外內(nèi)核的加載還必須知道系統(tǒng)必要的硬件信息,該硬件信息在hardware.h中并被Head.s所引用。最后跳轉(zhuǎn)到調(diào)用內(nèi)核函數(shù)(call_kernel),將控制權交給解壓后的uCLinux系統(tǒng)[4]。系統(tǒng)啟動后將加載Ramdisk文件系統(tǒng),進入用戶shell程序。
5  結束語

   本系統(tǒng)采用Bootloader完成操作系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)拷貝到RAM的設計方法,提高了系統(tǒng)的實時性。目前,啟動代碼已經(jīng)正常引導uCLinux操作系統(tǒng),并實現(xiàn)了對輪式移動機器人驅(qū)動系統(tǒng)的控制,該嵌入式系統(tǒng)運行穩(wěn)定,完全實現(xiàn)了設計目的。由于所選處理器的關系,本文的Bootloader是不支持Remap芯片的,但啟動裝載程序的原理都一樣,只要稍作修改就可用于支持Remap和MMU的芯片,而且對于其他操作系統(tǒng)同樣適用。

參考文獻

1 嚴國清,熊建設.S3C44B0X中BootLoader的實現(xiàn).[J].數(shù)據(jù)采集與嵌入式系統(tǒng).2004,(6):40-43

2 姜京梅,郭樹旭.ARM7啟動代碼設計方法與流程.[J].微計算機信息,2004,(20):78-79

3 費浙平.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)—系統(tǒng)的初始化過程.[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2003.9,80-83

4 黃克彬,葉 梧,馮穗力.基于ARM+uCLinux嵌入式系統(tǒng)啟動引導的實現(xiàn).[J].電子技術應用. http://

www.cvtech.com.cn/tech_detail.asp?newsid=223

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發(fā)表于 2008-07-08 16:23 |只看該作者
不知道為什么,貼不上圖。希望驅(qū)動版面能夠活躍起來!

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發(fā)表于 2008-07-08 16:49 |只看該作者
對嵌入式不是很懂

請問嵌入式bootloader不需要保護模式嗎

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發(fā)表于 2008-07-08 17:14 |只看該作者
bootloader是系統(tǒng)啟動前加載的一段代碼,在X86上相當于bios執(zhí)行的那段代碼,所以應該是運行于實模式的。一般的嵌入式系統(tǒng),bootloader也分為兩個部分,實際上都是在運行操作系統(tǒng)之前執(zhí)行的代碼。不知道我說清楚沒有。

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發(fā)表于 2008-07-08 17:40 |只看該作者
那么,uclinux會不會進入保護模式?
uclinux和linux出了mmu的區(qū)別,其他的多嗎?

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發(fā)表于 2008-07-08 17:52 |只看該作者
對uCLinux 來說,其設計針對沒有MMU的處理器,不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術。uCLinux仍然采用存儲器的分頁管理,系統(tǒng)在啟動時把實際存儲器進行分頁。uCLinux系統(tǒng)對于內(nèi)存的訪問是直接的,所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒有保護,各個進程實際上共享一個運行空間。一個進程在執(zhí)行前,系統(tǒng)必須為進程分配足夠的連續(xù)地址空間,然后全部載入主存儲器的連續(xù)空間中。
uClinux中沒有fork()和brk()系統(tǒng)調(diào)用,調(diào)用fork()將復制出進程來創(chuàng)建一個子進程。在Linux下,fork()是使用copy-on-write頁面來實現(xiàn)的。由于沒有MMU, uclinux不能完整、可靠地復制一個進程,也沒有對copy-on-write的存取。uClinux實現(xiàn)了vfork(),當父進程調(diào)用vfork()來創(chuàng)建子進程時,兩個進程共享它們的全部內(nèi)存空間,包括堆棧。子進程要么代替父進程執(zhí)行(此時父進程已經(jīng)sleep)直到子進程調(diào)用exit()退出,要么調(diào)用exec()執(zhí)行一個新的進程,這個時候?qū)a(chǎn)生可執(zhí)行文件的加載。

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發(fā)表于 2008-07-08 17:55 |只看該作者
uClinux是針對控制領域的嵌入式linux操作系統(tǒng),它從Linux 2.0/2.4內(nèi)核派生而來,沿襲了主流Linux的絕大部分特性。適合不具備內(nèi)存管理單元(MMU)的微處理器/微控制器。
其他的差異,不是特別了解。我想,uClinux的中進程的調(diào)度策略,文件系統(tǒng)等等,要比linux標準版本滯后一些(個人猜測)。

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發(fā)表于 2008-07-08 18:01 |只看該作者
謝謝你的回復。
這么說,uclinux的父子進程不能同時運行了?
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