《基于ARM9的嵌入式Linux系统开发原理与实践》课件第7章

第7章嵌入式Linux引导程序7.1引导程序(Bootloader)概述7.2ARMBootloader的作用7.3Bootloader通用的概念7.4Bootloader的主要任务与框架结构7.5vivi7.6vivi移植实例(移植vivi到博创2410)本章小结

7.1引导程序(Bootloader)概述

简单地说，Bootloader就是在操作系统内核运行前运行的一段小程序。通过这段小程序，可以对硬件设备，如CPU、SDRAM、Flash、串口等进行初始化，也可以下载文件到开发板，对Flash进行擦除和编程，真正起到引导和加载内核镜像的作用。

7.2ARMBootloader的作用

1.初始化RAM(必需)

Bootloader必须能够初始化RAM，因为将来系统要通过它保存一些数据，但具体地实现要依赖与具体的CPU以及硬件系统。

2.初始化串口(可选，推荐)

Bootloader应该要初始化以及使能至少一个串口，通过它与控制台联系进行一些debug的工作，甚至与PC通信。

3.启动内核镜像(必需)

根据内核镜像保存的存储介质不同，可以有两种启动方式：Falsh启动以及RAM启动，但是无论是哪种启动方式，下面的系统状态必须得到满足：

(1) CPU寄存器的设置。

(2) Cache和MMU(MemoryManagementUnit)的设置。

7.3Bootloader通用的概念

1. Bootloader所支持的CPU和嵌入式板

通常，每种不同的CPU体系结构都有不同的Bootloader。有些Bootloader也支持多种体系结构的CPU，比如U-Boot就同时支持ARM体系结构和MIPS等体系结构。

2. Bootloader的安装媒介

系统加电或复位后，所有的处理器通常都从某个预先安排的地址上取指令。比如，ARM在复位时从地址0x0取指。嵌入式系统中通常都有某种类型的固态存储设备(比如：ROM、EEPROM或Flash等)被映射到这个预先安排的地址上。通常Bootloader程序被固化在开发板上的地址是0x00000000，因此在系统加电后，处理器将首先执行Bootloader程序，Bootloader是最先被系统执行的程序。固态存储设备的典型空间分配结构，如图7-1所示。图7-1固态存储设备的空间分配结构

3. Bootloader的控制方式

主机和目标机之间一般通过串口建立连接，Bootloader软件在执行时通常会通过串口来进行通信，比如：输出打印信息到串口，从串口读取用户控制字符，也可以通过JTAG等其他接口进行通信。

4. Bootloader的操作模式

大多数Bootloader都包含启动加载模式(BootLoading)和下载模式(DownLoading)两种不同的操作模式。

5. Bootloader与主机通信

Bootloader与主机通信通常有两种方式：

(1)串口通信。

(2)通过以太网通信。

7.4Bootloader的主要任务与框架结构

1. Bootloader的stage1

1)基本的硬件初始化

(1)屏蔽所有的中断。

(2)设置CPU的速度和时钟频率。

(3) RAM初始化。

(4)初始化LED(可据具体的嵌入式板来选择)。

(5)关闭CPU内部指令/数据cache。

2)为加载stage2准备RAM空间

(1)先保存memorypage一开始两个字的内容。

(2)向这两个字中写入任意的数字。比如：向第一个字写入0x55(01010101)，第二个字写入0xaa(10101010)。

(3)然后，立即将这两个字的内容读回。显然，读到的内容应该分别是0x55和0xaa。如果不是，则说明这个memorypage所占据的地址范围不是一段有效的RAM空间。

(4)恢复这两个字的原始内容。测试完毕。

3)拷贝stage2到RAM中

拷贝时要确定和注意两点：

① stage2的可执行映像在固态存储设备的存放起始地址和终止地址；

② RAM空间的起始地址。

4)设置堆栈指针sp

堆栈指针sp的设置是为了执行C语言代码做好准备。通常可以把sp的值设置为(stage2_end-4)，也即安排的那个1MB的RAM空间的最顶端(堆栈向下生长)。此外，在设置堆栈指针sp之前，也可以关闭LED，以提示用户代码执行准备跳转到stage2。

5)跳转到stage2的C入口点

在上述一切都就绪后，就可以跳转到Bootloader的stage2去执行了。比如，在ARM系统中，这可以通过修改PC寄存器为合适的地址来实现。如：

ldrpc_start_armboot

2. Bootloader的stage2

Bootloader的stage2的代码通常用C语言来实现，以便于实现更复杂的功能和取得更好的代码可读性和可移植性。但是与普通C语言应用程序不同的是，在编译和链接Bootloader这样的程序时，不能使用glibc库中的任何支持函数。本阶段的主要任务如下：

(1)初始化本阶段要使用到的硬件设备。

(2)检测系统的内存映射(memorymap)。

(3)加载内核映像和根文件系统映像。

(4)设置内核的启动参数。

(5)调用内核。

7.5vivi

7.5.1vivi简介

vivi是由韩国Mizi公司开发的一种Bootloader，适合于ARM9处理器，支持S3c2410处理器。vivi具有结构清晰、功能丰富的特点。7.5.2vivi的软件结构分析

vivi的软件结构从总体上可分为四个层次：vivi配置、vivi编译、stage1和stage2。另外，vivi还提供了测试程序和工具，并且有简明的文档。图7-2vivi从配置到最后生成的总体流程图

1. vivi配置原理

以makemenuconfig为例说明vivi配置过程。

执行makemenuconfig,会执行主Makefile中：

menuconfig:include/version.h

$(MAKE)-Cscripts/lxdialogall

$(CONFIG_SHELL)scripts/Menuconfigarch/config.in在makemenuconfig的时候，会打印出如下的内容：

2. vivi编译原理

vivi编译流程是由Makefile来决定的。Makefile从总体上讲可分三个部分：定义变量、编译规则和配置规则。

1)主Makefile分析

(1)定义变量。

版本号：在生成的vivi中，开头的版本号是由下面的变量来定义的。

VERSION=0

PATCHLEVEL=1

SUBLEVEL=4

VIVI：这里设置输出版本信息的格式，VIVIRELEASE=0.1.4。

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

(SUBLEVEL)

(2)编译规则。

all依赖目标do-it-all，伪目标：all，可参看第3章Makefile小节内容。

all:do-it-all

wildcard函数功能：列出当前目录下所有符合模式“PATTERN”格式的文件名。返回值：空格分割的、存在当前目录下的所有符合模式“PATTERN”的文件名。

2)子Makefile分析

在实际的vivi的源码还有很多其他的Makefile，在vivi/

下的Makefile称为主Makefile，在其他一些目录下，都有独立的Makefile，称之为子Makefile。总的工作是由主Makefile来调度的，那么这些子Makefile怎么来完成工作？它是由一个非常重要的文件:Rules.make来管理的，它是文件编译所需要共同遵守的规则文件。如drivers/ 下的一个Makefile：

subdir-y:=serial

subdir-$(CONFIG_MTD)+=mtd

include$(TOPDIR)/Rules.make7.5.3vivi启动原理

与大多数Bootloader一样，vivi的运行过程也分为两个阶段：

第一阶段的运行代码在vivi/arch/s3c2410/head.s中定义，大小不超过4kB，它是从Flash启动系统的引导代码，它包括对S3C2410基本硬件的初始化，从NANDFlash上复制整个VIVI代码到RAM并跳转到第二阶段执行，其主要步骤如图7-3所示。图7-3vivi的第一阶段主要步骤第二阶段C语言代码是从init/main.c的main函数开始执行，是在RAM中运行的，其主要步骤如图7-4所示。图7-4vivi的第二阶段主要步骤

1. vivi的第一阶段

1)禁止看门狗

上电后，WATCHDOG默认是开着的，代码如下：

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

movr2,#0x0

strr2,[r1]

2)禁止中断

vivi中没用到中断，所以要关中断，代码如下：

movr1,#INT_CTL_BASE

movr2,#0xffffffff

str r2,[r1,#oINTMSK]；掩码关闭所有中断

ldr r2,=0x7ff

str r2,[r1,#oINTSUBMSK]

3)设置CPU的速度和时钟频率

初始化时钟：

movr1,#CLK_CTL_BASE

mvnr2,#0xff000000

strr2,[r1,#oLOCKTIME]

4)初始化内存控制寄存器

5)设置串口

6)将vivi的所有代码从Flash中拷贝到RAM中

7)跳转到main()函数

图7-5执行vivistage1后内存的划分情况

2. vivi的第二阶段

第二阶段的入口就是init/main.c，按照源代码的组织流程，根据模块化划分的原则，此阶段可分为8个功能模块。

1)打印版本信息

2)开发板初始化

3)内存映射和内存管理单元的初始化

mem_map_init();

mmu_init();

这两个函数都在 /arch/s3c2410/mmu.c文件中。图7-6创建页表后内存的划分情况

4)初始化堆栈

heap_init()。(定义在\vivi\lib\heap.c文件中)

intheap_init(void)

{

returnmmalloc_init((unsignedchar*)(HEAP_BASE),

HEAP_SIZE);

}图7-7初始化堆栈后内存的划分情况

5)初始化mtd设备

6)初始化私有数据

init_priv_data()函数在\vivi\lib\priv_data\rw.c文件中。图7-8初始化私有数据后内存的划分情况

7)初始化内置命令

misc()和init_builtin_cmds()。

8)启动内核

boot_or_vivi()，此函数根据情况通过“vivi_shellvivi_

shell()”启动一个shell(如果配置了CONFIG_SERIAL_TERM)

进入与用户进行交互的界面，或者直接启动linux内核。图7-9vivi启动内核后内存的划分情况

7.6vivi移植实例(移植vivi到博创2410)

vivi的移植方法步骤：

(1)对vivi进行移植修改；

(2)对vivi进行配置、编译；

(3)烧写vivi；

(4)测试vivi。7.6.1对vivi进行移植修改

1.修改vivi/Makefile

1)修改交叉编译库和头文件

(1)修改编译器路径。

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

修改为：CROSS_COMPILE=符合本机的路径

本机CROSS_COMPILE的路径为：

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

(2)修改编译器库文件路径。

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

修改为：ARM_GCC_LIBS=符合本机的路径

本机ARM_GCC_LIBS的路径为：

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

2) Linux内核包含文件

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

修改Linux头文件所在路径：LINUX_INCLUDE_DIR=符合本机的

本机LINUX_INCLUDE_DIR的路径为：

 LINUX_INCLUDE_DIR=/opt/host/armv4l/include

2.修改vivi中与硬件相关的部分

与具体运行在哪一个处理器平台上相关的文件都存放在vivi/arch/目录下，本系统使用S3C2410x处理器，对应的目录为s3c2410。其中，head.s文件是vivi启动配置代码，加电复位运行的代码就是从这里开始的。

3.支持NandFlash启动的修改(vivi/arch/s3c2410

/smdk.c)

1)修改NandFlash分区

系统存储器使用64MB的NandFlash，因此vivi要从NandFlash启动。NandFlash只适合用来存放数据，不能够直接在其上执行程序指令。

2)修改默认参数

xmodem_timeout需要调整到30000000，不然在使用下载时很容易出现下载失败的信息，如：“Retry0:NAKonsector”;

"boot_delay"o为下载模式(DownLoading)下的时间延时，在这段时间里，如果开发人员不输入任何vivi中的命令，则vivi将自动引导内核。本系统修改为：0x1000000。

3)修改启动命令

在intdefault_nb_params=ARRAY_SIZE(default_vivi_

parameters)下添加：

charlinux_cmd[]="noinitrdroot=/dev/mtdblock3init=/linuxrcconsole=ttySAC0,115200rootfstype=cramfsdevfs=mountmem=64M"；启动命令：7.6.2对vivi进行配置与编译

进入vivi目录执行“makeclean”，在编译之前将vivi里所有的“.o”和“.o.flag”文件删除。输入“makemenuconfig”进入配置界面，如图7-10所示。图7-10vivi配置界面输入“make”对vivi进行编译，make没有错误，编译后在当前目录下会生成vivi的二进制代码文件vivi，如图7-11所示，这样就可将其烧写进开发板中，验证是否能将内核引导起来。图7-11vivi编译结果7.6.3烧写vivi

开发板上已经存在vivi时，可以用串口烧写；开发板上不存在vivi时，用jtag口烧写。

1.串口下载vivi

1)格式化flash

打开超级终端，先按住PC机键盘的BackSpace键，然后启动2410-S，进入vivi，按照以下命令格式化flash，重新分区，如图7-12所示。

vivi>bonpart0128k192k2240k6336k:m65536k回车图7-12格式化flash

2)烧写vivi

这时已格式化flash，运行的是SDRAM中的vivi。注意如果这时重启或断电会丢失所有数据，否则必须用Jtag重新烧写vivi。

vivi>loadflashvivix回车

点击超级终端任务栏上“传送”下拉菜单中的“发送文件”，选择协议为Xmodem，选择镜像文件vivi，点击“发送”，如图7-13所示，10秒左右vivi就烧写到flash中了。图7-13串口烧写vivi

2. Jtag口烧写

把并口线插到PC机的并口，并把并口和Jtag相连，Jtag和博创开发板的14针Jtag口相连。

运行Jtag烧写文件sjf2410-s.exe命令如下：

sjf2410