关于三星S3C44B0X目标板的uClinux Bootloader

关于三星S3C44B0X目标板的uClinux Bootloader
(Implementing Bootloader for uClinux on Samsung S3C44B0X Board)

上海交通大学计算机科学与工程系      盛磊
(Department of Computer Science & Engineering, Shanghai Jiaotong University Lei SHENG)

摘要： S3C44B0X是常用的一款基于ARM7TDMI内核的RISC处理器。uClinux操作系统可以很好地支持此类无MMU的处理器。本文介绍了在S3C44B0X目标板上移植uClinux的重要步骤之一：Bootloader开发的概念和过程。

关键词： S3C44B0X；uClinux；Bootloader；ARM Kernel XIP

本文于2005年1月13日收到。盛磊：工程硕士，主要从事嵌入式系统开发和半导体存储器应用等方面的研究。

uClinux是为控制领域设计的嵌入式Linux操作系统，它沿袭了主流Linux的大部分特性，并进行了一定幅度的裁减。其设计主要针对没有内存管理单元(MMU)的微处理器，例如基于ARM7TDMI内核的S3C44B0X。

嵌入式Linux系统通常由三部份组成：Bootloader、Kernel和File System。其中Bootloader是在系统启动之后、Kernel运行之前所执行的第一段代码，其任务是为调用Kernel准备必要的软硬件环境。由此可见，Bootloader是非常依赖于硬件和操作系统的。所谓依赖于硬件，是指Bootloader的实现与处理器体系架构和板级硬件资源密切相关；所谓依赖于操作系统，是指不同操作系统的内核对调用方式和运行环境有不同的要求。

理论上，uClinux在引导时并非一定需要一个独立于Kernel Image的Bootloader Image。然而将Bootloader与Kernel分开设计能够使软件架构更加清晰，也有助于灵活地支持多种引导方式，实现必要的辅助功能。uClinux Bootloader的主要任务可概括如下：

● 引导和初始化
● 加载uClinux Kernel
● 设置内核启动参数
● 调用uClinux Kernel
● 辅助功能：文件下载、Flash烧写、人机界面等

对于常见架构的处理器，一般都能找到现成的Bootloader，但其结构往往较为复杂，且仍需要针对具体的目标板进行移植。当然，也可以选择自行开发Bootloader。由于Bootloader Image在物理上独立于Kernel Image，因此不一定跟随Linux选用GNU作为开发工具。对于ARM处理器，完全可以使用ADS或RVDS等集成环境来开发Bootloader。

1．引导和初始化

1．1 硬件初始化阶段一

S3C44B0X在上电或复位后，程序从位于地址0x0的Reset Exception Vector处开始执行，因此需要在这里放置Bootloader的第一条指令：b ResetHandler，跳转到标号ResetHandler处进行第一阶段的硬件初始化，主要内容为：关WDT，关中断，配置PLL和时钟，初始化Memory Controller。这里比较重要的是配置PLL的输出频率，S3C44B0X最高能够支持66MHz；如果目标板上使用DRAM/SDRAM，应当据此计算刷新频率等相关参数。

1．2 建立异常向量表

ARM7TDMI内核规定：包括Reset Exception Vector在内的异常向量表的基地址是0x0，所以存放Bootloader的Flash基地址也必须是0x0；而S3C44B0X处理器又不支持Remap，这意味着一旦发生中断，程序就要跳转到Flash中的异常向量表(中断属于异常的一种)。uClinux会在RAM里建立自己的二级异常向量表(基地址缺省为0x0C000000)；所以编写Bootloader时，0x0处的一级异常向量表只需简单地包含向二级异常向量表的跳转：

    b ResetHandler  ;Reset Handler
    ldr pc,=0x0c000004 ;Undefined Instruction Handler
    ldr pc,=0x0c000008 ;Software Interrupt Handler
    ldr pc,=0x0c00000c ;Prefetch Abort Handler
    ldr pc,=0x0c000010 ;Data Abort Handler
    b .   ;Reserved
    ldr pc,=0x0c000018 ;IRQ Handler
    ldr pc,=0x0c00001c ;FIQ Handler

如果在Bootloader运行过程中不必响应中断，那么上面的配置已能满足要求。如果某些Bootloader功能要求使用中断(例如用Timer Interrupt实现精确定时)，那么Bootloader必须在同样的位置建立自己的二级异常向量表，以便同uClinux保持一致。这张表应存放在Flash中，并由Bootloader复制到RAM地址0x0C000000处。

1．3 初始化各种处理器模式

ARM7TDMI内核支持7种处理器模式：User，FIQ，IRQ，Supervisor，Abort，System和Undefined。Bootloader需要依次切换到每种模式，初始化该模式的程序状态寄存器(SPSR)和堆栈指针(SP)。S3C44B0X在上电或复位后处于Supervisor模式；本步骤中应该在最后切换回Supervisor模式，即Bootloader后续部份仍将运行在Supervisor模式下。

1．4 section重定位

对于ADS或RVDS等开发工具，一个ARM程序通常由RO、RW和ZI三个section组成，其中RO是代码和常量，RW是已初始化的全局变量，ZI是未初始化的全局变量(在GNU中对应的概念是TEXT、DATA和BSS)。RO代码既可以在Flash中运行，也可以在RAM中运行。考虑到Bootloader可能需要烧写Flash，而烧写时处理器无法从Flash中读取指令，因此应将RO和RW复制到RAM中，并将ZI清零。RO复制完毕之后，程序就可以跳转到RAM中运行。若不考虑烧写Flash，则Bootloader不必复制RO，程序始终在Flash中运行。

1．5 填写中断向量表

中断向量表一般位于RAM地址的最高端，存放着各个ISR的入口地址。由于IRQ Exception为全部中断所共用，因此必须在IRQ Exception服务例程中根据中断状态寄存器来判断中断源并调用相应的ISR。各个ISR的入口地址需要在这一步里填写。

另外，S3C44B0X的中断控制器支持Vectored和Non-Vectored两种中断处理模式，其中前者是Samsung自行开发的模式，并不被大多数ARM处理器所支持。考虑到代码的可移植性，上面只讨论了Non-Vectored Mode。

1．6 硬件初始化阶段二

遵循“必要”原则继续对硬件资源进行初始化，包括S3C44B0X内置的GPIO、Cache、中断控制器和UART等。Bootloader中暂未用到的设备可以留待使用之前再进行初始化。

S3C44B0X内置有数据/指令合一的8KB Cache，且允许按照地址范围设置两个Non-Cacheable的区间。合理的配置是打开对RAM地址区间的Cache，关闭对其它地址区间的Cache，以避免可能存在的Cache一致性问题。

1．7 建立人机界面

引导过程的最后一步是在串行终端上建立人机交互界面。常见的做法是先等待固定的时间，若未接收到用户输入，则直接从Flash中加载或调用uClinux Kernel；若接收到用户输入，则显示菜单模式或命令行模式的交互界面，并等待进一步的命令。

2． 加载uClinux Kernel

Bootloader是否需要执行加载操作，取决于uClinux Kernel Image的类型。根据不同的配置方式，可以生成以下几种uClinux Kernel Image：

2．1 非压缩，非XIP

XIP(eXecute In Place)是指在存放代码的位置上就地运行程序；而非XIP就是指在运行之前需要对代码进行重定位。该类型的uClinux Kernel Image以非压缩格式存放在Flash中，需由Bootloader加载到RAM然后调用。该类型在开发调试阶段最为常用。

2．2 非压缩，XIP

该类型的uClinux Kernel Image以非压缩格式存放在Flash中，不需加载，由Bootloader直接调用。复制Data段和清零BSS段的工作由Kernel自行完成。该类型常用于RAM空间非常有限的系统中，缺点是程序在Flash中运行的速度稍慢。

2．3 RAM自解压

压缩格式的uClinux Kernel Image由开头的一段自解压代码和其后的压缩数据组成。由于是以压缩格式存放，因此Kernel只能以非XIP方式运行。RAM自解压的uClinux Kernel Image存放在Flash中，由Bootloader加载到RAM中的临时空间，然后调用自解压代码。Kernel被解压到最终的目标空间然后运行；压缩镜像所占据的临时空间在随后由uClinux回收利用。该类型占用Flash较少，且运行速度较快，在最终产品中更为常见。

2．4 ROM自解压

解压缩代码也能够以XIP的方式在Flash中运行。ROM自解压的uClinux Kernel Image存放在Flash中，不需加载，由Bootloader直接调用其自解压代码，将uClinux Kernel解压到最终的目标空间并运行之。与RAM自解压相比，ROM自解压并不真正节省RAM，而且解压缩的速度较慢，因此实用价值不大。

3． 设置内核启动参数

Linux 2.4版本以后的内核都期望以标记列表(tagged list)的形式来接收启动参数。每个标记存放在一个tag结构中，每个tag结构由标识被传递参数的tag_header结构以及随后的参数值组成。通常由Bootloader设置的启动参数有：ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_SERIAL等。启动参数的标记列表以ATAG_CORE开始，以ATAG_NONE结束，代码示例如下。其中0x0C000100是内核启动参数在RAM中的基地址，Bootloader应当将要传递的启动参数复制到该处RAM中；指针params的类型是struct tag。宏tag_next()以指向当前标记的指针为参数，计算下一个标记的起始地址。

params = (struct tag *)0x0C000100;
params->hdr.tag = ATAG_CORE;
params->hdr.size = tag_size(tag_core);
params->u.core.flags = 0;
params->u.core.pagesize = 0;
params->u.core.rootdev = 0;
params = tag_next(params);
......
params->hdr.tag = ATAG_NONE;
params->hdr.size = 0;

对应地，在Linux内核源码arch/armnommu/mach-s3c44b0/arch.c中设置内核启动参数在RAM中的基地址：

MACHINE_START (S3C44B0, "44B0")
......
BOOT_PARAMS (0x0C000100)
......
MACHINE_END

4． 调用uClinux Kernel

Bootloader调用Kernel的方法是直接跳转到其第一条指令处。对于ARM处理器，在跳转时应当满足下列条件：r0＝0；r1＝Machine ID；禁止IRQ和FIQ；处理器运行在Supervisor模式；关闭MMU；关闭Data Cache。

对于S3C44B0X，它没有MMU，其Cache是指令与数据合一的，因此只能全部关闭。
各种ARM处理器的Machine ID均由www.arm.linux.org.uk分配；S3C44B0X的Machine ID是178。据此，用C代码实现的Kernel调用示例如下，其中r0和r1的值通过参数传递：

void (*CallKernel)(int zero, int mach) = (void (*)(int, int))KERNEL_ADDR;
CallKernel(0, 178);

5． 辅助功能

完整的Bootloader还应该允许更新Flash中存放的uClinux Kernel Image以及Bootloader自身。为此，必要的辅助功能包括：从主机下载文件到目标板的RAM；用RAM中的数据烧写Flash；以及实现上述操作所需的人机交互接口，这里就不赘述了。

参考文献：

[1] 李善平，刘文峰等，Linux与嵌入式系统，清华大学出版社，2003年1月
[2] 詹荣开，嵌入式系统Boot Loader技术内幕，2003年12月
[3] ARM Architecture Reference Manual, ARM, 2000
[4] S3C44B0X RISC Microprocessor User's Manual, Samsung, 2002