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  • U-boot分析与移植(1)----bootloader分析

    一、Boot Loader 概念

    就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序,我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图,从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态,以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境,他就是所谓的引导加载程序(Boot Loader)。

    嵌入式软件在Flash存储器中的分布图

     

    二、为什么需要BootLoader?

    BootLoader的终极任务是引导操作系统,所谓引导操作系统,就是启动内核,在启动内核之前所需要的环境(如初始化sdram,设置cpu模式等,下面会介绍)都是由BootLoader来完成的。试想一下,如果你要启动内核,让内核在内存上跑,但连sdram都没有初始化,这显然不行。在s3c2440中,系统在上电或复位时通常都从地址 0x00000000 处开始执行,而在这个地址处安排的通常就是系统的Boot Loader 程序。在x86的PC机上,Boot Loader = BIOS + GRUB/LILO。

    三、BootLoader的选择

    些人误认为BootLoader=U-Boot,其实BootLoader只是所有引导加载程序中的一个总称。

    四、启动过程

       S3C2440 支持两种方式的启动:Nor Flash 启动和Nand Flash 启动。Nor Flash 和Nand Flash 都是非易失性存储器,Nor Flash 的特点是芯片内执行和不能直接写操作,程序可以直接在其中运行,而不必将程序读取到RAM 中运行。Nor Flash 虽然具有这个优点,但是它的性价比远低于Nand Flash,因而很多系统采用Nand Flash 启动。Nand Flash 的特点是采用非线性存储模式,程序无法在其中运行,它只能作为程序或数据的存储载体,存储在其中的程序只能先拷贝到RAM 中才能运行。

      从Nor Flash 启动时,与nGCS0 相连的Nor Flash 就被映射到nGCS0 片选的空间,其地址被映射为0x00000000;从Nand Flash 启动时,S3C2440 芯片内部自带的一块容量为4K 的被称为“Steppingstone”(“起步阶石”)的BootSRAM 被映射到nGCS0 片选的空间,其地址被映射为0x00000000。当系统上电或复位时,程序会从0 地址处开始执行,因此我们编写的启动代码要确保存储在0 地址处。

        当启动方式为Nor Flash 启动时,没有额外需要考虑的问题,因为这种情况下程序在系统启动前就存储在Nor Flash 中,我们只要保证将启动代码保存在Nor Flash 开始的位置即可,系统上电或复位时,0 地址处的启动代码就会被执行。

      在启动方式为Nand Flash 启动的情况下,系统启动前所有的程序存储在Nand Flash 中,系统的启动过程稍微有点复杂:系统上电或复位时,0 地址处为S3C2440 内部自带的BootSRAM,启动前里面没有任何存储内容,启动后S3C2440 先通过硬件机制将Nand Flash 前4K 的内容拷贝至其中,然后再运行里面的程序(从0 地址处)。这种情况下我们需要保证将启动代码保存在Nand Flash 开始的位置,并且启动代码的大小要小于4K。这就是我们的裸机程序为什么在nandflash能跑的原因。

      我们用的bootloader一般大于4k,所以,我们把用汇编编写的在sram里面执行的过程称为stage1,实现最关键的初始化后,把bootloader代码从nandflash拷贝到sdram里。此时在sdram里实现stage2,做更具体的初始化,最后启动内核,这个阶段一般用c语言来编写。

     

    Boot Loader 的 stage1 通常包括以下步骤(以执行的先后顺序):

    • 硬件设备初始化(关看门狗,关中断,设置cpu时钟,初始化sdram,关闭 CPU 内部指令/数据 cache)。
    • 为加载 Boot Loader 的 stage2 准备 RAM 空间。
    • 拷贝 Boot Loader 的 stage2 到 RAM 空间中。
    • 设置好堆栈。
    • 跳转到 stage2 的 C 入口点。

    Boot Loader 的 stage2 通常包括以下步骤(以执行的先后顺序):

    • 初始化本阶段要使用到的硬件设备。
    • 检测系统内存映射(memory map)。
    • 将 kernel 映像和根文件系统映像从 flash 上读到 RAM 空间中。
    • 为内核设置启动参数。
    • 调用内核。

    u-boot的源码的注释已经很详细,仔细看看,肯定能看懂的。

    更详细的文章

    嵌入式系统 Boot Loader 技术内幕

    http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-btloader/

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