自动编写bootloader.docx
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自动编写bootloader.docx
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自动编写bootloader
CPU上电后会从IO空间的某地址取第一条指令。
但此时:
PLL没有启动,CPU工作频率为外部输入晶振频率,非常低;CPU工作模式、中断设置等不确定;存储空间的各个BANK(包括内存)都没有驱动,内存不能使用。
在这种情况下必须在第一条指令处做一些初始化工作,这段初始化程序与操作系统独立分开,称之为bootloader。
实际上,很少有必要自己写一个Bootloader,因为U-Boot已经强大到能够满足各种需要。
但是强大必然复杂,一个初学者想要分析U-Boot的源代码,还是有些难度的。
出于学习的目的,我写了这个史上最简单的启动加载器,它只包含最基本的功能,却囊括了一个嵌入式Bootloader应该有的核心和精华。
我把这个启动加载器命名为S-Boot,是SimpleBootloader的缩写,亦可进一步简称为SB。
使用的实验环境为OK2440开发板,板上处理器为S3C2440A,有64M内存,Nand存储器为K9F1208,64M。
网口芯片为CS8900A。
我们要实现的功能是:
从串口下载Linux内核映像到RAM;从网口下载Linux内核映像到RAM;从RAM启动内核挂载NFS根文件系统。
1.第一阶段的汇编代码:
start.S
一个嵌入式Bootloader最初始部分的代码几乎必须是用汇编语言写成的,因为开发板刚上电后没有准备好C程序运行环境,比如堆栈指针SP没有指到正确的位置。
汇编代码应该完成最原始的硬件设备初始化,并准备好C运行环境,这样后面的功能就可以用C语言来写了。
对我们的S-Boot来说,上电后的起始运行代码是start/start.S。
.text
.global_start
_start:
bReset@0x00:
发生复位异常时从地址零处开始运行
bHandleUndef@0x04:
未定义指令中止模式的向量地址
bHandleSWI @0x08:
管理模式的向量地址,通过SWI指令进入此模式
bHandlePrefetchAbort@0x0C:
指令预取终止导致的异常的向量地址
bHandleDataAbort @0x10:
数据访问终止导致的异常的向量地址
bHandleNotUsed @0x14:
保留
bHandleIRQ @0x18:
中断模式的向量地址
bHandleFIQ @0x1C:
快中断模式的向量地址
这里,汇编指示符.text表明以下内容属于代码段,.global_start指明_start是全局可访问的符号(Givethesymbolexternallinkage)。
按照ARM920T的规定,从地址0x00到0x1C放置异常向量表,向量表每个条目占四个字节,正好可以放置一条跳转指令,跳转到相应异常的服务程序中去。
在S-Boot中没有使用中断,所以除Reset异常外,其它异常的服务程序都可简单地写个死循环。
Reset异常是系统上电后自动触发的,所以我们的代码都写在Reset的服务程序里面。
实际上,异常向量表不一定非要位于地址0x00处,CP15协处理器中的c1寄存器的第13位用来控制异常向量表的起始地址。
该位为0时,异常向量表位于低地址0x00处;该位为1时,异常向量表位于高地址0xFFFF0000处。
我们没有必要改变这个位的值,使用默认的低地址就行了。
Reset:
mrsr0,cpsr @setcputoSVC32mode
bicr0,r0,#0x1F
orrr0,r0,#0xD3
msrcpsr,r0 @cpsr=11x10011,IRQ/FIQdisabled
代码最初始的任务是设置CPU工作在SVC32模式,关闭所有中断,禁用看门狗。
实际上,即使不设置工作模式,CPU在复位之后将自动工作在管理模式。
在整个S-Boot运行期间,我们没有使用中断,也没有改变CPU工作模式,它将一直工作在SVC32模式。
MMU、ICache、DCache的打开和关闭都是由CP15协处理器的c1寄存器控制的。
实际上在复位之后这三者都是自动关闭的,所以省略了关闭它们的代码。
S3C2440A的PSR寄存器(ProgramStatusReguster)中每个Bit位的含义如图1所示。
Bit4~Bit0为模式位,用来设置CPU工作模式,现在只要知道M[4:
0]=10011表示SVC32模式就行了。
Bit5为状态位,T=0表示工作在ARM状态,T=1表示工作在Thumb状态,默认为0,不需要改变。
Bit6为快速中断禁止位,F=1为禁止快速中断,F=0为使能快速中断。
Bit7为中断禁止位,I=1为禁止中断,F=0为使能中断。
其它Bit位暂时可以不必理会。
mrs和msr是在PSR寄存器和其它寄存器间传递数据的指令。
如:
mrsr0,cpsr把cpsr的值传送到r0中,msrcpsr,r0把r0的值传送到cpsr中。
bic是位清零(BitClear)指令,bicr0,r0,#0x1F意思是把r0的Bit[4:
0]位清零(由0x1F指示),然后把结果写入r0中。
orr是按位求或指令,orrr0,r0,#0xD3表示把r0的Bit7,Bit6,Bit4,Bit1,Bit0置为1,其它位保持不变。
执行完上述操作后,cpsr中的I=1,F=1,T保持不变(默认为0),M[4:
0]=10011,意思是禁止IRQ,禁止FIQ,工作在ARM状态,工作在SVC32模式。
ldrr0,=0x53000000
movr1,#0x0
strr1,[r0]@disablewatchdog
禁用看门狗更简单,因为WTCON寄存器的地址为0x53000000,直接向该寄存器写0即可。
到目前为止,CPU工作在外接晶振12MHz频率之下。
使用以下代码设置PLL,提升工作频率。
ldrr0,=0x4C000014@CLKDIVNregister
movr1,#0x05@FCLK:
HCLK:
PCLK=1:
4:
8
strr1,[r0]
mrcp15,0,r0,c1,c0,0@ifHDIVNNot0,mustasynchronousbusmode
orrr0,r0,#0xC0000000@seeS3C2440AmanualP7-9
mcrp15,0,r0,c1,c0,0
ldrr0,=0x4C000004@MPLLCONregister
ldrr1,=0x0005C011@((92<<12)|(1<<4)|
(1))
strr1,[r0]@FCLKis400MHz!
最后的结果是,FCLK=400MHz,HCLK=100MHz,PCLK=50MHz。
@SDRAMInit
movr1,#0x48000000@MEM_CTL_BASE
adrlr2,mem_cfg_val
addr3,r1,#52
1:
ldrr4,[r2],#4@读取设置值,并让r2加4
strr4,[r1],#4@将此值写入寄存器,并让r1加4
cmpr1,r3@判断是否设置完所有13个寄存器
bne1b@若没有写成,继续
设置存储控制器。
ldrsp,=0x32FFF000@设置堆栈
blnand_init@初始化NANDFlash
@nand_read_ll函数需要3个参数:
ldrr0,=0x33000000@1.目标地址=0x30000000,这是SDRAM的起始地址
movr1,#0@2.源地址=0,S-Boot代码都存在NAND地址0开始处
movr2,#102400@3.复制长度=102400(bytes)
blnand_read@调用C函数nand_read
ldrlr,=halt_loop@设置返回地址
ldrpc,=main@b指令和bl指令只能前后跳转32M的范围,故使用向pc赋值的方法进行跳转
halt_loop:
bhalt_loop
这里把所有的代码从Nand拷贝到RAM中,然后跳转到main函数去执行。
此后程序便在RAM中运行了。
但是到目前为止,前面的程序都是在SteppingStone里运行的。
所谓SteppingStone,是指在S3C2440A的内部的4KB的RAM缓存,它总是映射到地址0x00处。
硬件加电后会自动将NandFlash中的前4KB的数据拷贝到SteppingStone中,然后从地址0x00处开始运行。
如果代码足够小(小于4KB)的话,那只在SteppingStone中运行,加载Linux内核到内存即可。
但通常代码肯定会大于4KB。
所以Bootloader一般分为两部分,Stage1的代码在SteppingStone中运行,它会把Stage2的代码拷贝到RAM中,并跳转到RAM中执行;Stage2的代码在RAM中执行,它可以完成加载内核及其它任何复杂的功能。
因为Stage2的起始位置不好确定,为了方便,我们把所有的代码都拷贝到RAM中了。
C函数nand_read有三个参数,第一个参数为目的地起始地址,第二个参数为源起始地址,第三个参数为要复制的数据长度,以字节为单位。
根据ATPCS函数调用规则,三个参数分别用寄存器r0,r1,r2来传递。
我们在内存的0x33000000处存放Bootloader,复制长度根据编译生成的S-Boot.bin映像文件大小,向上取512字节的整数倍。
这里先来规划一下内存空间的分配。
RAM的地址范围是从0x30000000到0x34000000共64MByte。
把S-Boot和Kernel放在高地址处,S-Boot从0x33000000开始,预留8MByte的空间,内核从0x33800000开始,可供使用的空间也是8MByte。
因栈空间是向下生长的,我们在S-Boot下面预留4096Byte的空闲区域,然后向下为栈空间,故栈指针SP初始化为0x32FFF000。
其实留不留空闲区域是无所谓的,这里只是为了把二者更明显地区分开。
我们只设置SVC模式下的SP,不使用CPU的其它工作模式,所以也没必要设置其它模式下的栈指针。
另外,程序中不使用动态内存分配,故而也不必分配堆空间。
2.nand读操作
在编译连接时,我们把上述start.S代码放在生成的二进制映像文件的最开始位置,因而也被烧写到NandFlash的最起始位置,因而会被自动拷贝到SteppingStone里运行。
start.S要完成的任务之一,是把S-Boot的所有代码从NandFlash拷贝到内存中,这里需要对NAND的读操作,因此对NAND的初始化和读操作要在第一阶段写好。
以
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