解析单片机上应用的一款Boot Loader

Boot Loader概述

Boot Loader的概念及功能

在以ARM为代表的嵌入式系统中，操作系统内核运行前的硬件初始化、建立内核镜像等都是由Boot Loader来完成的。在PC机上，最先启动的是主板上的BIOS，BIOS负责对硬件初始化，给操作系统提供硬件的接口函数等等，但在嵌入式操作系统中并没有BIOS，因此整个嵌入式操作系统的加载启动任务就完全由Boot Loader来完成。



图1 Boot Loader流程图

Boot Loader通常存放于目标平台的非易失存储介质中，主要用于完成由硬件启动到操作系统启动的过渡，能够在上电后对SDRAM、CACHE、FLASH等硬件部分进行检测，建立内存空间的映射图和内核镜像，建立通讯通道和调试通道等，还能够提供Shell Menu
检测设置菜单和相应的检测程序，引导操作系统及应用程序，从而为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。

目前，嵌入式系统中广泛应用的UBoot、vivi、blob、armboot等Boot Loader在原有功能的基础上，增加了更多的功能并大大增强了移植性。嵌入式系统中硬件的种类繁多，差距较大，而Boot Loader是严重依赖于硬件而实现的。不同的CPU体系需要不同的Boot Loader，即便是同一种体系结构，由于其它硬件设备配置的不同，如板卡硬件地址的分配、RAM芯片的型号等，也需要对Boot Loader作一定的修改才能使用。因此，开发人员需针对不同的处理器和开发板，对Boot Loader进行定制，来实现不同的功能。

Boot Loader的操作模式

Boot Loader通常包括“启动加载(Boot loading)”和“下载(Downloading)”两种模式。这两种操作模式仅对开发人员具有一定的意义。

启动加载模式：Boot Loader从目标机上的固态存储设备上将操作系统加载到RAM中运行，无需用户介入。此模式是Boot Loader正常的工作模式。

下载模式：在这种模式下，目标机上的Boot Loader通过串口连接或网络连接等手段从主机上下载文件到目标机的RAM中，然后再烧写到目标机上的固态存储设备中。通常在第一次安装内核与根文件系统以及系统的更新时使用此模式。

Boot Loader的具体实现

硬件配置

本文以UP-NetARM3000为例来介绍Boot Loader的工作机理和运行流程。UP-NetARM3000使用的是三星公司生产的S3C44B0X芯片，这是三星公司推出的一款高性价比和高性能的微控制器。它具有32位的ARM7TDMI内核，外部时钟为8MHz，内部倍频最高可达72MHz，工作频率为64MHz。S3C44B0X通过提供全面的、通用的片上外设，大大减少了系统中处理器以外的元器件配置，从而使系统的成本大大降低，它集成的各种片上功能包括：8KB Cache、扩展内存控制器、2通道UART带有握手协议、1通道SIO、2个通用DMA、2个外设用DMA、外部存储控制器、LCD控制器、IIC/IIS总线接口、5个通道PWM定时器和一个内部定时器、看门狗定时器、71个通用I/O口、8个外部中断源、8通道10位ADC、片上PLL时钟产生器等。

Boot Loader的启动流程

大多数Boot Loader通常都分为Stage1和Stage2两大部分。Stage1通常由汇编语言编写，即Boot Loader的启动代码，旨在对部分硬件设备进行初始化。Stage2即Boot Loader的主代码，为了实现更加复杂的功能，使代码具有更好的可读性和可移植性，通常由Ｃ语言来实现，主要用来加载操作系统内核。 具体启动流程如图1所示。

· Stage1部分

设置CPU的速度、时钟频率及中断控制寄存器

Boot Loader的启动代码首先定义了一个全局入口，然后对异常向量进行设置。由于Boot Loader严重的依赖于硬件而实现，因此根据CPU体系结构和具体的硬件配置来设置CPU的速度、时钟频率及中断控制寄存器。除完成上述功能，启动代码还需要实现禁止看门狗定时器、设置时钟控制寄存器、设置锁相环控制寄存器、使能所有功能单元块时钟等功能。另外，系统中断的设置也是在这部分实现的，主要是中断向量表和IRQ中断入口地址的设置。



存储器的分配

S3C44B0X的存储系统具有一
些主要特征，如：支持数据存储的大、小端选择；地址空间具有8个存储体，每个存储体可达32MB；对所有存储体的访问大小均可以进行改变；7个存储器的起始地址固定，1个存储器的起始地址可变。在本文介绍的这款Boot Loader中，启动代码通过对BUSWIDTH的赋值来使能各个存储器。其具体对应情况如右面所示：

启动代码还有一个重要的任务—初始化内存控制寄存器，它主要通过设置13 个从0x01c80000开始的寄存器来实现，包括BWSCON总线宽度与等待状态控制寄存器、BANKCONn块控制寄存器。标号SMRDATA处为将要赋予内存控制寄存器的具体值。以ResetHandler标号地址为参照，根据其偏移地址推算出SMRDATA标号地址的实际位置，然后读取该处的数据对内存控制寄存器进行赋值。





图2 映像文件地址映射