S5PV210开发系列三
简易Bootloader的实现
象棋小子 1048272975
Bootloader是嵌入式系统上电后第一段运行的代码。对于功能简单的处理器，可能并没有Bootloader的概念，但对于应用处理器，有不同的启动方式。不同的存储设备(Nand flash、sd/mmc、DDR2、SRAM等)。不同的操作系统等，往往须要一个Bootloader先初始化CPU和相关的硬件，建立内存空间映射，把内核或应用程序载入到对应的内存运行位置。最后调用内核或应用程序，释放CPU控制权，完毕整个Bootloader的流程。
笔者此处就S5PV210的Bootloader实现作一个简单的介绍。
1. Bootloader流程
Bootloader是严重依赖于详细硬件实现的，同样CPU内核架构。不同厂商生产的处理器其Bootloader都是全然不一样的，即使对于同一CPU，板载不同的硬件配置。往往都是要针对性实现其Bootloader。因此。Bootloader的功能、流程等都没有特定的要求，仅仅要将系统的软硬件环境带到一个合适的状态。终于为操作系统内核或应用程序准备好正确的环境就可以。一般对于一个Bootloader应实现两种不同的操作模式：启动载入模式和下载模式。
启动载入模式就是Bootloader从设备系统的某个固态储存器中将操作系统或应用程序载入进RAM，整个过程无需用户的介入，这样的模式是设备成型后Bootloader的正常工作模式。下载模式是Bootloader能够通过串口、USB或网络等通信手段从主机下载文件，并终于写入到到设备系统的某个固态储存器中，这样的模式用在设备开发调试中，用于刷机升级。此处笔者从自己的角度简介Bootloader实现的一般流程。
与Bootloader相关的代码文件放在System文件夹文件夹中。文件夹架构例如以下：
- s5pv210.s，启动代码文件，代码执行时的入口，控制了整个Bootloader的执行流程，终于建立起c执行环境后。进入到应用程序main入口。
- LowLevelInit.s，板级初始化代码，包含CPU时钟的初始化、DDR2内存控制器初始化、代码载入实现(sd/mmc卡启动、Nand flash启动)。
- Coprocessor.c，协处理器相关代码，主要是CP15协处理器L1 Cache、L2 Cache、MMU内存映射、中断向量基址等操作代码。
- NandBoot.c，实现Nand flash启动相关Nand驱动代码。实现对应Nand代码下载、Nand代码启动的接口实现。
- Download.c，实现代码下载调试功能，支持代码直接下载内存调试执行，支持代码下载进Nand flash，支持uboot的内存下载执行调试以及Nand下载固化。
- Exception.c。异常处理相关代码。支持中断处理的完整架构。如中断嵌套处理、中断注冊、中断开启等接口实现。为系统应用架构实现。
- Retarge.c，标准IO的底层重定向，支持c库中的标准IO函数，如标准输入、输出流重定向到串口、文件操作重定向到对应的文件系统接口实现等，为系统应用架构实现。
- s5pv210.icf，IAR下链接文件，指定板载内存范围。代码以及RAM等布局。
这里笔者说明一下，在建立c执行环境之前的Bootloader代码均是地址无关的，CPU上电后会载入部分的Bootloader代码到内部RAM执行，不论什么RAM地址这部分Bootloader均应能正确执行。Bootloader中不要尝试调用c库函数。注意在Bootloader的c代码c执行环境也是不成立的。在Bootloader中应初始化最关键的硬件环境，其他不紧要的硬件初始化或功能代码能够放到c执行环境建立后处理。
1.1. 异常向量表
ARM核在异常发生时。会从异常向量表中取得对应的异常向量地址运行，发生IRQ中断则从异常向量表0x18偏移处取得IRQ异常向量地址。
异常向量表就是用来记录各个异常进入时的代码处理位置。除了Cortex-M处理器有嵌套向量中断控制器(NVIC)，下面的异常向量处理对全部系列的ARM核均是成立的。
ARM
__iar_program_start
BLX Reset_Handler
LDR PC, Undef_Addr
LDR PC, SWI_Addr
LDR PC, PAbt_Addr
LDR PC, DAbt_Addr
LDR PC, Notuse_Addr
LDR PC, IRQ_Addr
LDR PC, FIQ_Addr
DCD 0x55aa55aa ; 0x20位置用来推断代码的执行区域
Undef_Addr
DCD Undef_Handler
SWI_Addr
DCD SWI_Handler
PAbt_Addr
DCD PAbt_Handler
DAbt_Addr
DCD DAbt_Handler
Notuse_Addr
DCD 0 ; Reserved Address
IRQ_Addr
DCD IRQ_SaveContext
FIQ_Addr
DCD FIQ_Handler
IRQ_SaveContext
; 保存中断上下文，支持中断嵌套
SUB LR, LR, #4 ; 计算返回地址
STMFD SP!,{R0-R12, LR} ;全部寄存器压栈保存
MRS R0, SPSR ; 保存中断前的CPSR(即如今的SPSR)
STMFD SP!, {R0} ;
MSR CPSR_cxsf, #Mode_SYS+I_Bit ; 切换到系统模式
STMFD SP!, {LR} ; 压栈系统模式LR
LDR R0, =IRQ_Handler ;系统模式下进行IRQ代码处理
BLX R0 ; 调用中断处理函数
LDMFD SP!, {LR} ; 出栈系统模式LR
MSR CPSR_cxsf, #Mode_IRQ+I_Bit ; 切换到IRQ模式
LDMFD SP!, {R0} ; 返回中断前的CPSR
MSR SPSR_cxsf, R0
LDMFD SP!, {R0-R12, PC}^ ; ^表同一时候从spsr恢复给cpsr
PUBWEAK Undef_Handler
PUBWEAK SWI_Handler
PUBWEAK PAbt_Handler
PUBWEAK DAbt_Handler
PUBWEAK IRQ_Handler
PUBWEAK FIQ_Handler
Undef_Handler
SWI_Handler
PAbt_Handler
DAbt_Handler
IRQ_Handler
FIQ_Handler
B .
1.2. 关看门狗
复位代码最先做的事应该是关看门狗，由于假设看门狗打开的话，在启动代码进行初始化过程中是无法喂狗的，可能造成处理器一直不停复位。
; 看门狗关闭
LDR R0, =WT_BASE
LDR R1, =0
STR R1, [R0]
1.3. 关闭全部中断
启动代码未完毕时。各个状态都还不是确定的。假设有中断打开并引起中断异常。可能造成代码跑飞。
; 关闭全部外设中断
LDR R1,=0xFFFFFFFF
LDR R0,=VIC0_BASE
STR R1,[R0, #INT_EN_CLR_OFS]
LDR R0,=VIC1_BASE
STR R1,[R0, #INT_EN_CLR_OFS]
LDR R0,=VIC2_BASE
STR R1,[R0, #INT_EN_CLR_OFS]
LDR R0,=VIC3_BASE
STR R1,[R0, #INT_EN_CLR_OFS]
1.4. 初始化协处理器
ARM核可最多支持16个协处理器，当中一般内置了CP14调试通信协处理器以及CP15系统控制协处理器。在Bootloader中须要对实际的寄存器物理地址进行初始化读写，因此应初始化CP15协处理器关闭Cache、关闭MMU、设置中断向量表基址等。
; 初始化协处理器
EXTERN Coprocessor_Init
BLX Coprocessor_Init
1.5. 初始化系统时钟
一般来说。处理器复位后都是执行在一个较低速的时钟下。为加快启动。通常尽可能快地设置处理器的各个时钟。
; 系统时钟设置
EXTERN Clock_Init
BLX Clock_Init
1.6. 初始化外部内存
除了Nor flash能够直接运行代码外。其他的代码存储器如nand flash、sd/mmc都是不能直接运行代码的。
一般对于应用处理器。代码都是载入进RAM后运行。
; 外部内存控制设置
EXTERN ERAM_Init
BLX ERAM_Init
LDR SP,=SFE(CSTACK) ; RAM初始化后调整栈指针到外部RAM
1.7. 下载模式
在调试开发阶段，能够通过直接下载代码到RAM调试运行，避免反复地烧写固态存储器，加快调试开发，在确定代码OK后，再把代码下载进固态存储器(Nandflash)就可以。
在开发完毕后，下载模式代码可凝视掉。
; 检查是否进入串口下载模式,开机时按住空格键进入串口下载模式
EXTWEAK DownloadCheck
BLX DownloadCheck
1.8. 代码载入
对于代码存储在Nand flash、sd/mmc等不能直接运行代码的存储器，Bootloader是一定须要把用户代码从这些设备读入到特定的内存中运行的。
而对于Nor flash可直接运行代码的存储器。通常为了提高性能，也是会把代码从Nor flash读出，在内存中运行的。
; 拷贝用户代码到RAM
EXTERN CopyCodeToRAM
BLX CopyCodeToRAM
1.9. MMU内存映射
为了提高CPU的处理性能。MMU必须开启，在开启之前。需先建立对应的内存空间映射表，设置对应的内存区域訪问权限等。开启MMU后。也必须同一时候开启L1 I/D Cache、L2 Cache、硬件分支预測功能。不然CPU的性能将极其低下。有几十倍的性能差异。
; MMU初始化
EXTERN MMU_Init
BLX MMU_Init
1.10. 初始化栈
ARM核有多种工作模式。每种模式的栈是一定要分配及初始化的。这样才干在对应模式下正确地运行代码。
; 堆栈初始化
; Enter Undefined Instruction Mode and set itsStack Pointer
LDR R0,=SFE(UND_STACK)
LDR R1,=Mode_UND+I_Bit+F_Bit
MSR CPSR_c,R1
MOV SP,R0
; Enter Abort Mode and set its Stack Pointer
LDR R0,=SFE(ABT_STACK)
LDR R1,=Mode_ABT+I_Bit+F_Bit
MSR CPSR_c,R1
MOV SP,R0
; Enter FIQ Mode and set its Stack Pointer
LDR R0,=SFE(FIQ_STACK)
LDR R1,=Mode_FIQ+I_Bit+F_Bit
MSR CPSR_c,R1
MOV SP,R0
; Enter IRQ Mode and set its Stack Pointer
LDR R0,=SFE(IRQ_STACK)
LDR R1,=Mode_IRQ+I_Bit+F_Bit
MSR CPSR_c,R1
MOV SP,R0
; Enter Supervisor Mode and set its StackPointer
LDR R0,=SFE(SVC_STACK)
LDR R1,=Mode_SVC+I_Bit+F_Bit
MSR CPSR_c,R1
MOV SP,R0
; Enter System Mode and set its Stack Pointer
LDR R0,=SFE(CSTACK)
LDR R1,=Mode_SYS
MSR CPSR_c,R1
MOV SP,R0
1.11. 初始化c执行环境
进入c入口之前是须要初始化c环境的，如清0全局变量、静态变量区等。此处直接利用编译器的库函数__cmain来完毕c环境的初始化，最后才是真正的应用程序入口main函数。用绝对地址跳转到c入口__cmain，Bootloader释放CPU控制权，完毕整个流程。
; Initialize VFP (ifneeded).
EXTERN __iar_init_vfp
LDR R0,=__iar_init_vfp
BLX R0
; Continue to ?
mainfor C-level initialization.
EXTERN __cmain
LDR R0,=__cmain
BX R0
2. 代码烧写
代码能够存储在Nand flash或sd/mmc卡中。一般先把代码烧写进sd/mmc卡中，这样无需复杂的操作以及昂贵的烧录器等。
sd/mmc卡启动后通过里面的Bootloader下载功能把主机上的对应代码下载进设备的Nand flash上，之后无需再用sd/mmc卡，设置Nand flash启动。代码更新也通过Nandflash上的Bootloader下载更新就可以。
sd/mmc卡启动须要专用的烧录软件SdBoot。SdBoot.exe为笔者在windows下针对三星S3C2416和S5PV210这两个平台开发的sd/mmc启动烧录工具。sd/mmc启动须要对应的代码格式以及需烧录进sd/mmc卡指定的位置。SdBoot.exe工具集代码格式转换以及sd/mmc卡烧录于一体，能够烧录S3C2416和S5PV210这两个平台下笔者编写的裸机bootloader，wince bootloader，uboot，工具简单易用。
图2-1 SdBoot.exe工具
3. Bootloader下载功能
Bootloader通过串口实现主机代码文件的下载，主机端代码下载须要三星专用的工具dnw.exe工具，连接好串口后。按住空格键后，目标板上电会进入Bootloader的下载模式。
图3-1 Bootloader下载模式
当中选项1能够基于笔者Bootloader开发的应用。下载进RAM，并直接调试执行。下载进RAM的代码均是编译器直接编译出来的代码。未经过SdBoot工具格式转换。
选项2用于uboot的调试开发。能够直接把编译好的uboot二进制代码下载进RAM，并直接调试执行。
选项3用于代码烧录进Nand flash，把通过SdBoot工具格式转换后的基于笔者Bootloader应用代码、uboot代码下载进Nand flash，之后设置Nand flash启动就可以。
4. Bootloader功能
笔者的S5PV210的Bootloader设置最高的CPU主频1GHZ。MMU进行1:1内存空间线性映射，并开启L1 I/D Cache、L2 Cache、硬件分支预測功能。使CPU能达到最大的吞吐量性能。初始化内存，可以识别sd/mmc启动和Nand flash启动，自己主动载入应用代码到RAM位置。统一的中断管理架构、重定向底层IO操作，可以更加专注于应用的开发。
5. 附录
Bootloader.rar，Bootloader下IAR測试project以及SdBoot工具。