《基于ARM9的嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)原理與實踐》課件第7章

第7章嵌入式Linux引導程序7.1引導程序(Bootloader)概述7.2ARMBootloader的作用7.3Bootloader通用的概念7.4Bootloader的主要任務與框架結構7.5vivi7.6vivi移植實例(移植vivi到博創(chuàng)2410)本章小結

7.1引導程序(Bootloader)概述

簡單地說，Bootloader就是在操作系統(tǒng)內核運行前運行的一段小程序。通過這段小程序，可以對硬件設備，如CPU、SDRAM、Flash、串口等進行初始化，也可以下載文件到開發(fā)板，對Flash進行擦除和編程，真正起到引導和加載內核鏡像的作用。

7.2ARMBootloader的作用

1.初始化RAM(必需)

Bootloader必須能夠初始化RAM，因為將來系統(tǒng)要通過它保存一些數(shù)據(jù)，但具體地實現(xiàn)要依賴與具體的CPU以及硬件系統(tǒng)。

2.初始化串口(可選，推薦)

Bootloader應該要初始化以及使能至少一個串口，通過它與控制臺聯(lián)系進行一些debug的工作，甚至與PC通信。

3.啟動內核鏡像(必需)

根據(jù)內核鏡像保存的存儲介質不同，可以有兩種啟動方式：Falsh啟動以及RAM啟動，但是無論是哪種啟動方式，下面的系統(tǒng)狀態(tài)必須得到滿足：

(1)?CPU寄存器的設置。

(2)?Cache和MMU(MemoryManagementUnit)的設置。

7.3Bootloader通用的概念

1.?Bootloader所支持的CPU和嵌入式板

通常，每種不同的CPU體系結構都有不同的Bootloader。有些Bootloader也支持多種體系結構的CPU，比如U-Boot就同時支持ARM體系結構和MIPS等體系結構。

2.?Bootloader的安裝媒介

系統(tǒng)加電或復位后，所有的處理器通常都從某個預先安排的地址上取指令。比如，ARM在復位時從地址0x0取指。嵌入式系統(tǒng)中通常都有某種類型的固態(tài)存儲設備(比如：ROM、EEPROM或Flash等)被映射到這個預先安排的地址上。通常Bootloader程序被固化在開發(fā)板上的地址是0x00000000，因此在系統(tǒng)加電后，處理器將首先執(zhí)行Bootloader程序，Bootloader是最先被系統(tǒng)執(zhí)行的程序。固態(tài)存儲設備的典型空間分配結構，如圖7-1所示。圖7-1固態(tài)存儲設備的空間分配結構

3.?Bootloader的控制方式

主機和目標機之間一般通過串口建立連接，Bootloader軟件在執(zhí)行時通常會通過串口來進行通信，比如：輸出打印信息到串口，從串口讀取用戶控制字符，也可以通過JTAG等其他接口進行通信。

4.?Bootloader的操作模式

大多數(shù)Bootloader都包含啟動加載模式(BootLoading)和下載模式(DownLoading)兩種不同的操作模式。

5.?Bootloader與主機通信

Bootloader與主機通信通常有兩種方式：

(1)串口通信。

(2)通過以太網(wǎng)通信。

7.4Bootloader的主要任務與框架結構

1.?Bootloader的stage1

1)基本的硬件初始化

(1)屏蔽所有的中斷。

(2)設置CPU的速度和時鐘頻率。

(3)?RAM初始化。

(4)初始化LED(可據(jù)具體的嵌入式板來選擇)。

(5)關閉CPU內部指令/數(shù)據(jù)cache。

2)為加載stage2準備RAM空間

(1)先保存memorypage一開始兩個字的內容。

(2)向這兩個字中寫入任意的數(shù)字。比如：向第一個字寫入0x55(01010101)，第二個字寫入0xaa(10101010)。

(3)然后，立即將這兩個字的內容讀回。顯然，讀到的內容應該分別是0x55和0xaa。如果不是，則說明這個memorypage所占據(jù)的地址范圍不是一段有效的RAM空間。

(4)恢復這兩個字的原始內容。測試完畢。

3)拷貝stage2到RAM中

拷貝時要確定和注意兩點：

①?stage2的可執(zhí)行映像在固態(tài)存儲設備的存放起始地址和終止地址；

②?RAM空間的起始地址。

4)設置堆棧指針sp

堆棧指針sp的設置是為了執(zhí)行C語言代碼做好準備。通?？梢园裺p的值設置為(stage2_end-4)，也即安排的那個1MB的RAM空間的最頂端(堆棧向下生長)。此外，在設置堆棧指針sp之前，也可以關閉LED，以提示用戶代碼執(zhí)行準備跳轉到stage2。

5)跳轉到stage2的C入口點

在上述一切都就緒后，就可以跳轉到Bootloader的stage2去執(zhí)行了。比如，在ARM系統(tǒng)中，這可以通過修改PC寄存器為合適的地址來實現(xiàn)。如：

ldrpc_start_armboot

2.?Bootloader的stage2

Bootloader的stage2的代碼通常用C語言來實現(xiàn)，以便于實現(xiàn)更復雜的功能和取得更好的代碼可讀性和可移植性。但是與普通C語言應用程序不同的是，在編譯和鏈接Bootloader這樣的程序時，不能使用glibc庫中的任何支持函數(shù)。本階段的主要任務如下：

(1)初始化本階段要使用到的硬件設備。

(2)檢測系統(tǒng)的內存映射(memorymap)。

(3)加載內核映像和根文件系統(tǒng)映像。

(4)設置內核的啟動參數(shù)。

(5)調用內核。

7.5vivi

7.5.1vivi簡介

vivi是由韓國Mizi公司開發(fā)的一種Bootloader，適合于ARM9處理器，支持S3c2410處理器。vivi具有結構清晰、功能豐富的特點。7.5.2vivi的軟件結構分析

vivi的軟件結構從總體上可分為四個層次：vivi配置、vivi編譯、stage1和stage2。另外，vivi還提供了測試程序和工具，并且有簡明的文檔。圖7-2vivi從配置到最后生成的總體流程圖

1.?vivi配置原理

以makemenuconfig為例說明vivi配置過程。

執(zhí)行makemenuconfig,會執(zhí)行主Makefile中：

menuconfig:include/version.h

$(MAKE)-Cscripts/lxdialogall

$(CONFIG_SHELL)scripts/Menuconfigarch/config.in在makemenuconfig的時候，會打印出如下的內容：

2.?vivi編譯原理

vivi編譯流程是由Makefile來決定的。Makefile從總體上講可分三個部分：定義變量、編譯規(guī)則和配置規(guī)則。

1)主Makefile分析

(1)定義變量。

版本號：在生成的vivi中，開頭的版本號是由下面的變量來定義的。

VERSION=0

PATCHLEVEL=1

SUBLEVEL=4

VIVI：這里設置輸出版本信息的格式，VIVIRELEASE=0.1.4。

VIVIRELEASE=$(VERSION).$(PATCHLEVEL).$

(SUBLEVEL)

(2)編譯規(guī)則。

all依賴目標do-it-all，偽目標：all，可參看第3章Makefile小節(jié)內容。

all:do-it-all

wildcard函數(shù)功能：列出當前目錄下所有符合模式“PATTERN”格式的文件名。返回值：空格分割的、存在當前目錄下的所有符合模式“PATTERN”的文件名。

2)子Makefile分析

在實際的vivi的源碼還有很多其他的Makefile，在vivi/

下的Makefile稱為主Makefile，在其他一些目錄下，都有獨立的Makefile，稱之為子Makefile?？偟墓ぷ魇怯芍鱉akefile來調度的，那么這些子Makefile怎么來完成工作？它是由一個非常重要的文件:Rules.make來管理的，它是文件編譯所需要共同遵守的規(guī)則文件。如drivers/?下的一個Makefile：

subdir-y:=serial

subdir-$(CONFIG_MTD)+=mtd

include$(TOPDIR)/Rules.make7.5.3vivi啟動原理

與大多數(shù)Bootloader一樣，vivi的運行過程也分為兩個階段：

第一階段的運行代碼在vivi/arch/s3c2410/head.s中定義，大小不超過4kB，它是從Flash啟動系統(tǒng)的引導代碼，它包括對S3C2410基本硬件的初始化，從NANDFlash上復制整個VIVI代碼到RAM并跳轉到第二階段執(zhí)行，其主要步驟如圖7-3所示。圖7-3vivi的第一階段主要步驟第二階段C語言代碼是從init/main.c的main函數(shù)開始執(zhí)行，是在RAM中運行的，其主要步驟如圖7-4所示。圖7-4vivi的第二階段主要步驟

1.?vivi的第一階段

1)禁止看門狗

上電后，WATCHDOG默認是開著的，代碼如下：

movr1,#0x53000000；WTCON寄存器地址是0x53000000，清0

movr2,#0x0

strr2,[r1]

2)禁止中斷

vivi中沒用到中斷，所以要關中斷，代碼如下：

movr1,#INT_CTL_BASE

movr2,#0xffffffff

str r2,[r1,#oINTMSK]；掩碼關閉所有中斷

ldr r2,=0x7ff

str r2,[r1,#oINTSUBMSK]

3)設置CPU的速度和時鐘頻率

初始化時鐘：

movr1,#CLK_CTL_BASE

mvnr2,#0xff000000

strr2,[r1,#oLOCKTIME]

4)初始化內存控制寄存器

5)設置串口

6)將vivi的所有代碼從Flash中拷貝到RAM中

7)跳轉到main()函數(shù)

圖7-5執(zhí)行vivistage1后內存的劃分情況

2.?vivi的第二階段

第二階段的入口就是init/main.c，按照源代碼的組織流程，根據(jù)模塊化劃分的原則，此階段可分為8個功能模塊。

1)打印版本信息

2)開發(fā)板初始化

3)內存映射和內存管理單元的初始化

mem_map_init();

mmu_init();

這兩個函數(shù)都在?/arch/s3c2410/mmu.c文件中。圖7-6創(chuàng)建頁表后內存的劃分情況

4)初始化堆棧

heap_init()。(定義在\vivi\lib\heap.c文件中)

intheap_init(void)

{

returnmmalloc_init((unsignedchar*)(HEAP_BASE),

HEAP_SIZE);

}圖7-7初始化堆棧后內存的劃分情況

5)初始化mtd設備

6)初始化私有數(shù)據(jù)

init_priv_data()函數(shù)在\vivi\lib\priv_data\rw.c文件中。圖7-8初始化私有數(shù)據(jù)后內存的劃分情況

7)初始化內置命令

misc()和init_builtin_cmds()。

8)啟動內核

boot_or_vivi()，此函數(shù)根據(jù)情況通過“vivi_shellvivi_

shell()”啟動一個shell(如果配置了CONFIG_SERIAL_TERM)

進入與用戶進行交互的界面，或者直接啟動linux內核。圖7-9vivi啟動內核后內存的劃分情況

7.6vivi移植實例(移植vivi到博創(chuàng)2410)

vivi的移植方法步驟：

(1)對vivi進行移植修改；

(2)對vivi進行配置、編譯；

(3)燒寫vivi；

(4)測試vivi。7.6.1對vivi進行移植修改

1.修改vivi/Makefile

1)修改交叉編譯庫和頭文件

(1)修改編譯器路徑。

將：CROSS_COMPILE=/usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-

修改為：CROSS_COMPILE=符合本機的路徑

本機CROSS_COMPILE的路徑為：

?CROSS_COMPILE=/opt/host/armv4l/bin/armv4l-unknown-linux-

(2)修改編譯器庫文件路徑。

將：ARM_GCC_LIBS=/usr/local/arm/2.95.3/lib/gcc-lib/arm-linux/2.95.3

修改為：ARM_GCC_LIBS=符合本機的路徑

本機ARM_GCC_LIBS的路徑為：

?ARM_GCC_LIBS=/opt/host/armv4l/bin/gcc-lib/armv4l-unknown-linux/2.95.2

2)?Linux內核包含文件

將：LINUX_INCLUDE_DIR=/usr/local/arm/2.95.3/include

修改Linux頭文件所在路徑：LINUX_INCLUDE_DIR=符合本機的

本機LINUX_INCLUDE_DIR的路徑為：

?LINUX_INCLUDE_DIR=/opt/host/armv4l/include

2.修改vivi中與硬件相關的部分

與具體運行在哪一個處理器平臺上相關的文件都存放在vivi/arch/目錄下，本系統(tǒng)使用S3C2410x處理器，對應的目錄為s3c2410。其中，head.s文件是vivi啟動配置代碼，加電復位運行的代碼就是從這里開始的。

3.支持NandFlash啟動的修改(vivi/arch/s3c2410

/smdk.c)

1)修改NandFlash分區(qū)

系統(tǒng)存儲器使用64MB的NandFlash，因此vivi要從NandFlash啟動。NandFlash只適合用來存放數(shù)據(jù)，不能夠直接在其上執(zhí)行程序指令。

2)修改默認參數(shù)

xmodem_timeout需要調整到30000000，不然在使用下載時很容易出現(xiàn)下載失敗的信息，如：“Retry0:NAKonsector”;

"boot_delay"o為下載模式(DownLoading)下的時間延時，在這段時間里，如果開發(fā)人員不輸入任何vivi中的命令，則vivi將自動引導內核。本系統(tǒng)修改為：0x1000000。

3)修改啟動命令

在intdefault_nb_params=ARRAY_SIZE(default_vivi_

parameters)下添加：

charlinux_cmd[]="noinitrdroot=/dev/mtdblock3init=/linuxrcconsole=ttySAC0,115200rootfstype=cramfsdevfs=mountmem=64M"；啟動命令：7.6.2對vivi進行配置與編譯

進入vivi目錄執(zhí)行“makeclean”，在編譯之前將vivi里所有的“.o”和“.o.flag”文件刪除。輸入“makemenuconfig”進入配置界面，如圖7-10所示。圖7-10vivi配置界面輸入“make”對vivi進行編譯，make沒有錯誤，編譯后在當前目錄下會生成vivi的二進制代碼文件vivi，如圖7-11所示，這樣就可將其燒寫進開發(fā)板中，驗證是否能將內核引導起來。圖7-11vivi編譯結果7.6.3燒寫vivi

開發(fā)板上已經(jīng)存在vivi時，可以用串口燒寫；開發(fā)板上不存在vivi時，用jtag口燒寫。

1.串口下載vivi

1)格式化flash

打開超級終端，先按住PC機鍵盤的BackSpace鍵，然后啟動2410-S，進入vivi，按照以下命令格式化flash，重新分區(qū)，如圖7-12所示。

vivi>bonpart0128k192k2240k6336k:m65536k回車圖7-12格式化flash

2)燒寫vivi

這時已格式化flash，運行的是SDRAM中的vivi。注意如果這時重啟或斷電會丟失所有數(shù)據(jù)，否則必須用Jtag重新燒寫vivi。

vivi>loadflashvivix回車

點擊超級終端任務欄上“傳送”下拉菜單中的“發(fā)送文件”，選擇協(xié)議為Xmodem，選擇鏡像文件vivi，點擊“發(fā)送”，如圖7-13所示，10秒左右vivi就燒寫到flash中了。圖7-13串口燒寫vivi

2.?Jtag口燒寫

把并口線插到PC機的并口，并把并口和Jtag相連，Jtag和博創(chuàng)開發(fā)板的14針Jtag口相連。

運行Jtag燒寫文件sjf2410-s.exe命令如下：

sjf2410