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

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

7.1引導(dǎo)程序(Bootloader)概述

簡(jiǎn)單地說，Bootloader就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行前運(yùn)行的一段小程序。通過這段小程序，可以對(duì)硬件設(shè)備，如CPU、SDRAM、Flash、串口等進(jìn)行初始化，也可以下載文件到開發(fā)板，對(duì)Flash進(jìn)行擦除和編程，真正起到引導(dǎo)和加載內(nèi)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?yàn)閷硐到y(tǒng)要通過它保存一些數(shù)據(jù)，但具體地實(shí)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(yīng)該要初始化以及使能至少一個(gè)串口，通過它與控制臺(tái)聯(lián)系進(jìn)行一些debug的工作，甚至與PC通信。

3.啟動(dòng)內(nèi)核鏡像(必需)

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

(1)?CPU寄存器的設(shè)置。

(2)?Cache和MMU(MemoryManagementUnit)的設(shè)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(jié)構(gòu)都有不同的Bootloader。有些Bootloader也支持多種體系結(jié)構(gòu)的CPU，比如U-Boot就同時(shí)支持ARM體系結(jié)構(gòu)和MIPS等體系結(jié)構(gòu)。

2.?Bootloader的安裝媒介

系統(tǒng)加電或復(fù)位后，所有的處理器通常都從某個(gè)預(yù)先安排的地址上取指令。比如，ARM在復(fù)位時(shí)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(chǔ)設(shè)備(比如：ROM、EEPROM或Flash等)被映射到這個(gè)預(yù)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(chǔ)設(shè)備的典型空間分配結(jié)構(gòu)，如圖7-1所示。圖7-1固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備的空間分配結(jié)構(gòu)

3.?Bootloader的控制方式

主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間一般通過串口建立連接，Bootloader軟件在執(zhí)行時(shí)通常會(huì)通過串口來進(jìn)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(jìn)行通信。

4.?Bootloader的操作模式

大多數(shù)Bootloader都包含啟動(dòng)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(jī)通信

Bootloader與主機(jī)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(wù)與框架結(jié)構(gòu)

1.?Bootloader的stage1

1)基本的硬件初始化

(1)屏蔽所有的中斷。

(2)設(shè)置CPU的速度和時(shí)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(guān)閉CPU內(nèi)部指令/數(shù)據(jù)cache。

2)為加載stage2準(zhǔn)備RAM空間

(1)先保存memorypage一開始兩個(gè)字的內(nèi)容。

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

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

(4)恢復(fù)這兩個(gè)字的原始內(nèi)容。測(cè)試完畢。

3)拷貝stage2到RAM中

拷貝時(shí)要確定和注意兩點(diǎn)：

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

②?RAM空間的起始地址。

4)設(shè)置堆棧指針sp

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

5)跳轉(zhuǎn)到stage2的C入口點(diǎn)

在上述一切都就緒后，就可以跳轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)。如：

ldrpc_start_armboot

2.?Bootloader的stage2

Bootloader的stage2的代碼通常用C語言來實(shí)現(xiàn)，以便于實(shí)現(xiàn)更復(fù)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(yīng)用程序不同的是，在編譯和鏈接Bootloader這樣的程序時(shí)，不能使用glibc庫(kù)中的任何支持函數(shù)。本階段的主要任務(wù)如下：

(1)初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備。

(2)檢測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)存映射(memorymap)。

(3)加載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像。

(4)設(shè)置內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù)。

(5)調(diào)用內(nèi)核。

7.5vivi

7.5.1vivi簡(jiǎn)介

vivi是由韓國(guó)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(jié)構(gòu)清晰、功能豐富的特點(diǎn)。7.5.2vivi的軟件結(jié)構(gòu)分析

vivi的軟件結(jié)構(gòu)從總體上可分為四個(gè)層次：vivi配置、vivi編譯、stage1和stage2。另外，vivi還提供了測(cè)試程序和工具，并且有簡(jiǎn)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(huì)執(zhí)行主Makefile中：

menuconfig:include/version.h

$(MAKE)-Cscripts/lxdialogall

$(CONFIG_SHELL)scripts/Menuconfigarch/config.in在makemenuconfig的時(shí)候，會(huì)打印出如下的內(nèi)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(gè)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(hào)：在生成的vivi中，開頭的版本號(hào)是由下面的變量來定義的。

VERSION=0

PATCHLEVEL=1

SUBLEVEL=4

VIVI：這里設(shè)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(biāo)do-it-all，偽目標(biāo)：all，可參看第3章Makefile小節(jié)內(nèi)容。

all:do-it-all

wildcard函數(shù)功能：列出當(dāng)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(dāng)前目錄下的所有符合模式“PATTERN”的文件名。

2)子Makefile分析

在實(shí)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(dú)立的Makefile，稱之為子Makefile?？偟墓ぷ魇怯芍鱉akefile來調(diào)度的，那么這些子Makefile怎么來完成工作？它是由一個(gè)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(gè)Makefile：

subdir-y:=serial

subdir-$(CONFIG_MTD)+=mtd

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

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

第一階段的運(yùn)行代碼在vivi/arch/s3c2410/head.s中定義，大小不超過4kB，它是從Flash啟動(dòng)系統(tǒng)的引導(dǎo)代碼，它包括對(duì)S3C2410基本硬件的初始化，從NANDFlash上復(fù)制整個(gè)VIVI代碼到RAM并跳轉(zhuǎn)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(yùn)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(rèn)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(guān)中斷，代碼如下：

movr1,#INT_CTL_BASE

movr2,#0xffffffff

str r2,[r1,#oINTMSK]；掩碼關(guān)閉所有中斷

ldr r2,=0x7ff

str r2,[r1,#oINTSUBMSK]

3)設(shè)置CPU的速度和時(shí)鐘頻率

初始化時(shí)鐘：

movr1,#CLK_CTL_BASE

mvnr2,#0xff000000

strr2,[r1,#oLOCKTIME]

4)初始化內(nèi)存控制寄存器

5)設(shè)置串口

6)將vivi的所有代碼從Flash中拷貝到RAM中

7)跳轉(zhuǎn)到main()函數(shù)

圖7-5執(zhí)行vivistage1后內(nèi)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(gè)功能模塊。

1)打印版本信息

2)開發(fā)板初始化

3)內(nèi)存映射和內(nèi)存管理單元的初始化

mem_map_init();

mmu_init();

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

5)初始化mtd設(shè)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(nèi)存的劃分情況

7)初始化內(nèi)置命令

misc()和init_builtin_cmds()。

8)啟動(dòng)內(nèi)核

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

shell()”啟動(dòng)一個(gè)shell(如果配置了CONFIG_SERIAL_TERM)

進(jìn)入與用戶進(jìn)行交互的界面，或者直接啟動(dòng)linux內(nèi)核。圖7-9vivi啟動(dòng)內(nèi)核后內(nèi)存的劃分情況

7.6vivi移植實(shí)例(移植vivi到博創(chuàng)2410)

vivi的移植方法步驟：

(1)對(duì)vivi進(jìn)行移植修改；

(2)對(duì)vivi進(jìn)行配置、編譯；

(3)燒寫vivi；

(4)測(cè)試vivi。7.6.1對(duì)vivi進(jìn)行移植修改

1.修改vivi/Makefile

1)修改交叉編譯庫(kù)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(jī)的路徑

本機(jī)CROSS_COMPILE的路徑為：

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

(2)修改編譯器庫(kù)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(jī)的路徑

本機(jī)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(nèi)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(jī)的

本機(jī)LINUX_INCLUDE_DIR的路徑為：

?LINUX_INCLUDE_DIR=/opt/host/armv4l/include

2.修改vivi中與硬件相關(guān)的部分

與具體運(yùn)行在哪一個(gè)處理器平臺(tái)上相關(guān)的文件都存放在vivi/arch/目錄下，本系統(tǒng)使用S3C2410x處理器，對(duì)應(yīng)的目錄為s3c2410。其中，head.s文件是vivi啟動(dòng)配置代碼，加電復(fù)位運(yùn)行的代碼就是從這里開始的。

3.支持NandFlash啟動(dòng)的修改(vivi/arch/s3c2410

/smdk.c)

1)修改NandFlash分區(qū)

系統(tǒng)存儲(chǔ)器使用64MB的NandFlash，因此vivi要從NandFlash啟動(dòng)。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(rèn)參數(shù)

xmodem_timeout需要調(diào)整到30000000，不然在使用下載時(shí)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(shí)間延時(shí)，在這段時(shí)間里，如果開發(fā)人員不輸入任何vivi中的命令，則vivi將自動(dòng)引導(dǎo)內(nèi)核。本系統(tǒng)修改為：0x1000000。

3)修改啟動(dòng)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(dòng)命令：7.6.2對(duì)vivi進(jìn)行配置與編譯

進(jìn)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(jìn)入配置界面，如圖7-10所示。圖7-10vivi配置界面輸入“make”對(duì)vivi進(jìn)行編譯，make沒有錯(cuò)誤，編譯后在當(dāng)前目錄下會(huì)生成vivi的二進(jìn)制代碼文件vivi，如圖7-11所示，這樣就可將其燒寫進(jìn)開發(fā)板中，驗(yàn)證是否能將內(nèi)核引導(dǎo)起來。圖7-11vivi編譯結(jié)果7.6.3燒寫vivi

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

1.串口下載vivi

1)格式化flash

打開超級(jí)終端，先按住PC機(jī)鍵盤的BackSpace鍵，然后啟動(dòng)2410-S，進(jìn)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(shí)已格式化flash，運(yùn)行的是SDRAM中的vivi。注意如果這時(shí)重啟或斷電會(huì)丟失所有數(shù)據(jù)，否則必須用Jtag重新燒寫vivi。

vivi>loadflashvivix回車

點(diǎn)擊超級(jí)終端任務(wù)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(diǎn)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(jī)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(yùn)行Jtag燒寫文件sjf2410-s.exe命令如下：

sjf2410