《電子技術(shù)應(yīng)用》
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ARM-Linux嵌入式系統(tǒng)的BootLoader設(shè)計
摘要: 通過對Boot Loader的分析可以看出,設(shè)計一個性能優(yōu)良的Boot Loader可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及實時性,它是嵌入式開發(fā)中不可或缺的一部分。只有設(shè)計出一個穩(wěn)定的Boot Loader,才能進行下一步的系統(tǒng)開發(fā)工作,直至完成整個嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。設(shè)計Boot Loader是一項很復(fù)雜的工作,需要對硬件資源和所用的操作系統(tǒng)有很深的理解。在實際開發(fā)中可以根據(jù)需要簡化設(shè)計,去除不必要的系統(tǒng)功能,這樣可以大大提高程序執(zhí)行的效率和穩(wěn)定性。這里給出的Boot Loader已經(jīng)順利通過了調(diào)試,可以正常加載操作系統(tǒng)。
Abstract:
Key words :
  由Boot Loader和固化在固件(firmware)中的Boot代碼(可選)共同組成一個嵌入式系統(tǒng)" title="嵌入式系統(tǒng)">嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)加載程序。它的作用和功能就像固化到計算機內(nèi)主板上的一個ROM芯片程序BIOS(basic input output system)。但是它一般不配置像BIOS那樣的固件程序,這是因為要考慮經(jīng)濟方面的原因,因此必須自己完成這方面的工作。Boot Loader可以初始化硬件設(shè)備,建立內(nèi)存空間的映射圖,從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài),以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準備好正確的環(huán)境。它的實現(xiàn)嚴重地依賴于硬件,特別是在嵌入式系統(tǒng)中,即使基于同一個CPU的Boot Loader,對于不同的板子,也有很大的不同。

  1 Boot Loader分析

  系統(tǒng)加電,然后復(fù)位后,基本上所有的CPU都是從復(fù)位地址上取得指令的。以微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)中,通常都有某種類型的固態(tài)存儲設(shè)備(FLASH,E2PROM等),這個固態(tài)存儲設(shè)備被映射到一個預(yù)先設(shè)置好的地址上。在系統(tǒng)加電復(fù)位后,一開始處理器就會去執(zhí)行存放在復(fù)位地址處的程序,而且通過開發(fā)環(huán)境可以將Boot Loader定位在復(fù)位地址一開始的存儲空間上,因此Boot Loader是系統(tǒng)加電后,在操作系統(tǒng)內(nèi)核或者一些應(yīng)用程序被運行之前,首先會運行的程序。對于嵌人式系統(tǒng)來說,比較復(fù)雜的或者為了方便后期開發(fā)大的應(yīng)用程序,有的使用操作系統(tǒng),也有很多的情況下,因功能簡單,或僅包括應(yīng)用程序的系統(tǒng)不使用操作系統(tǒng),但是不論有無操作系統(tǒng)在啟動時都必須執(zhí)行Boot Loader,為的是準備好軟硬件運行環(huán)境。

  以微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)中,一般都有某種類型的固態(tài)存儲設(shè)備(FLASH,E2PROM等),這個固態(tài)存儲設(shè)備被映射到一個預(yù)先設(shè)置好的地址上。在系統(tǒng)加電復(fù)位后,一開始處理器就會去執(zhí)行存放在復(fù)位地址處的程序。而且通過開發(fā)環(huán)境可以將Boot Loader定位在復(fù)位地址一開始的存儲空間上,因此Boot Loader是系統(tǒng)加電后,在操作系統(tǒng)內(nèi)核或者一些應(yīng)用程序被運行之前,首先會運行的程序。對于Linux系統(tǒng),它的主要任務(wù)有以下7個方面。

  (1)初始化處理器及外設(shè)的硬件資源配置。一般嵌入式系統(tǒng)的處理器在上電復(fù)位后,外部的I/O引腳都處于輸入狀態(tài),處理器的片內(nèi)和片外設(shè)備資源都需要配置。

  (2)建立內(nèi)存空間的映射圖,從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的環(huán)境,這樣就能為最終啟動操作系統(tǒng)的內(nèi)核提供最好條件。

  (3)把操作裝載到映射的內(nèi)存中,這也是所有任務(wù)當中最重要的一個,只有完成這個任務(wù),操作系統(tǒng)才能被裝載到內(nèi)存當中去,Boot Loader一般會提供串口和網(wǎng)絡(luò)裝載兩種方式。

  (4)為了把操作系統(tǒng)的映像保存在FLASH中,以便以后啟動,可以直接裝載FLASH的數(shù)據(jù),而不用重新下載程序,但需要對FLASH進行編程。

  (5)運行操作系統(tǒng)。設(shè)置相關(guān)的寄存器和資源,跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)的所在空間,進行相關(guān)的引導(dǎo),這就是Boot Loader。

  (6)在Linux系統(tǒng)啟動時,傳遞系統(tǒng)的啟動參數(shù),可以給內(nèi)核傳遞命令行等參數(shù),通過命令行可以選擇控制系統(tǒng)的啟動模式。

  (7)命令行的解析和輸入/輸出控制。為了開發(fā)的方便,多數(shù)的Boot Loader都采用串口作為終端的控制方式。

  Boot Loader的啟動過程可分為兩個重要階段。第一階段:由于Boot Loader的實現(xiàn)依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu),所以設(shè)備代碼的初始化等功能都在該階段完成。而且,為了達到縮短代碼的目的,通常用匯編語言來編寫。在這一階段的執(zhí)行過程中,又可分為幾個方面。

  ①硬件設(shè)備的初始化。在該階段的執(zhí)行過程中,首先需要對硬件設(shè)備進行初始化,其目的主要是為第二階段的執(zhí)行以及隨后Kernel的調(diào)用準備基本的硬件環(huán)境。

 ?、跒榧虞dBoot Loader的第二階段準備RAM空間。為了獲得更快的執(zhí)行速度,通常把第二階段加載到RAM空間中來執(zhí)行。因此,必須為加載Boot Loader準備好一段可用的RAM空間范圍。

  ③設(shè)置堆棧指針。設(shè)置堆棧是為了執(zhí)行C語言代碼作好準備。

  ④跳轉(zhuǎn)到第二階段的C入口點。當程序執(zhí)行到這個位置時,可以通過修改PC寄存器的值,使其跳轉(zhuǎn)到第二階段。

  第二階段階段的啟動流程分析:為了便于實現(xiàn)復(fù)雜的功能和獲得更好的代碼可讀性和可移植性,通常第二階段的代碼用C語言來實現(xiàn)。但是,與普通C語言的不同之處是,這里使用了“彈簧床”的概念,即先用匯編語言寫一段小程序,并將這段小程序作為第二階段可執(zhí)行映像的執(zhí)行入口點,然后在匯編程序中用CPU跳轉(zhuǎn)指令跳入main()函數(shù)中去執(zhí)行,當main()函數(shù)返回時,CPU執(zhí)行路徑再次返回到匯編程序中第二階段,包括初始化本階段要使用的硬件設(shè)備,檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射,會將Kernel映像和根文件系統(tǒng)映像從FLASH中讀到RAM空間中,為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù)調(diào)用內(nèi)核。

  2 Boot Loader的設(shè)計

  2.1 中斷向量表(二級)的設(shè)計與建立

  如果有中斷或者異常發(fā)生時,處理器便會強制性地把PC指針指向向量表中它所對應(yīng)的中斷類型地址值。為了提高中斷響應(yīng)速度,F(xiàn)LASH的0x0地址存放能跳轉(zhuǎn)到0x33FFFF00地址處中斷向量的跳轉(zhuǎn)指令,也就是會在在RAM中建立一個二級中斷向量表,起始地址為0x33FFFF00。除了復(fù)位外,所有的異常入口地址都由FLASH跳轉(zhuǎn)得到,代碼如下:

程序

 

  2.2 第二階段拷貝到RAM

  把第二階段Stage2拷貝到RAM地址的最頂大小為1 MB的開始空間,RAM的起始地址為0x30000000。代碼如下所示:

程序

 

  2.3 堆棧指針的設(shè)置

  用戶使用哪些中斷決定了系統(tǒng)堆棧的初始化,以及系統(tǒng)需要處理的哪些錯誤類型。一般情況下,堆棧設(shè)置是必須,而且是由管理者自己設(shè)置的。如果需要使用IRQ中斷,那么IRQ堆棧的設(shè)置也是必須的,下面是IRQ堆棧的設(shè)置:

程序

 

  3 Stage2的設(shè)計

  3.1 可執(zhí)行映像Stage2的入口

  由于Glibc庫支持的函數(shù)不能用于編譯和鏈接Boot Loader這樣用C語言編寫的程序,因此把main()函數(shù)的起始地址作為第二階段的入口點是最直接的想法??梢杂脜R編編寫一段Trampoline小程序,用CPU跳轉(zhuǎn)指令跳到main()函數(shù)去執(zhí)行,當函數(shù)返回時會再次回到Trampoline程序,代碼如下:

程序

 

  程序順利時就不會再回到開始的Trampoline程序,不然就會回到最后的語句,系統(tǒng)就會重新啟動。

  3.2 內(nèi)存影射

  一般S3C2410" title="S3C2410">S3C2410上配置的SDRSAM大小為64 MB,該SDRAM的物理地址范圍是Ox30000000~Ox33FFFFFF(屬于Bank 6)。由Section的大小可知,該物理空間可被分成64個物理段。因為ARM體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)緩沖必須通過MMU開啟,因此Boot Loader效率不是很高,但是MMU可以通過平板映射(虛擬地址和物理地址相同)方式被開啟,這樣使用內(nèi)存空間Dcache,從而使Boot Loader的運行速度得到有效的提高。映射關(guān)系代碼如下:

程序

 

  3.3 裝載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像

  像ARM這樣的嵌入式CPU通常都是在統(tǒng)一的內(nèi)存地址空間中尋址FLASH等固態(tài)存儲設(shè)備的,因此從Flash上讀取數(shù)據(jù)與從RAM單元中讀取數(shù)據(jù)一樣,用一個簡單的循環(huán)就可以完成從FLASH設(shè)備上拷貝映像的工作:其中count為根文件系統(tǒng)映像的大小或內(nèi)核映像的大小。

程序

 

  3.4 內(nèi)核的啟動參數(shù)的設(shè)置

  內(nèi)核啟動可以從NAND FLASH(NOR FLASH)中啟動運行Linux,需要修改啟動命令如下:

程序

 

  LCD啟動參數(shù)一般都包括root,init和console。noinitrd不使用ramdisk。root根文件系統(tǒng)在MTD分區(qū)。Init內(nèi)核運行入口命令文件。co-nsol內(nèi)核信息控制臺,ttys0表示串行口0;tty0表示虛擬終端。

  4 結(jié)語

  通過對Boot Loader的分析可以看出,設(shè)計一個性能優(yōu)良的Boot Loader可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及實時性,它是嵌入式開發(fā)中不可或缺的一部分。只有設(shè)計出一個穩(wěn)定的Boot Loader,才能進行下一步的系統(tǒng)開發(fā)工作,直至完成整個嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。設(shè)計Boot Loader是一項很復(fù)雜的工作,需要對硬件資源和所用的操作系統(tǒng)有很深的理解。在實際開發(fā)中可以根據(jù)需要簡化設(shè)計,去除不必要的系統(tǒng)功能,這樣可以大大提高程序執(zhí)行的效率和穩(wěn)定性。這里給出的Boot Loader已經(jīng)順利通過了調(diào)試,可以正常加載操作系統(tǒng)。



 

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