bootloader流程

Bootloader 设计分析

3.1 Bootloader 的操作模式 (Operation Mode)

大多数 Bootloader 都包含两种不同的操作模式[2]：

(1). 启动加载（Boot loading）模式：也称为“自主”模式。即Bootloader 从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到 RAM 中运行，整个过程并没有用户的介入。

(2).下载（Downloading）模式：在这种模式下，目标机上的Bootloader将通过串口或网络连接等通信手段从主机（Host）下载内核映像和根文件系统映像等，然后保存到目标机上的FLASH 类固态存储设备中。Bootloader的这种模式通常在系统初次安装和更新时被使用，工作于这种模式下的Bootloader通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。

在我们的Bootloader设计中我们同时支持这两种工作模式，采用的方法是：一开始启动时处于正常的启动加载模式，但并不立即启动进入uClinux内核，而是提示延时5秒，等待终端用户如果按下某一特定按键，则切换到下载模式，否则继续启动uCLinux 内核。

3.2 Bootloader 的启动及初始化

基于ARM的芯片多数为复杂的片上系统（SoC），这类复杂系统里的多数硬件模块都是可配置的[3]。因此大多数 Bootloader 都分为 stage1 和 stage2 两大部分。依赖于 CPU 体系结构的代码，通常都放在 stage1 中，而且在这一部分，我们直接对处理器内核和硬件控制器进行编程，因此常常都用汇编语言来实现。而stage2则通常用C语言来实现，这样可以实现更复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。

3.2.1 Bootloader的stage1

这部分代码必须首先完成一些基本的硬件初始化，为stage2的执行以及随后的kernel 的执行准备好一些基本的硬件环境[2]。Bootloader的stage1一般通用的内容包括：

* 定义程序入口点

* 设置异常向量表

* 初始化存储系统（包括地址重映射）

* 初始化有特殊要求的端口，设备

* 初始化用户程序的执行环境

* 初始化堆栈指针寄存器，必要时改变处理器的模式

* 设置FIQ/IRQ中断处理程序入口

* 进入C程序

在整个Bootloader的初始化过程中我们都不必响应中断，因此首先禁止系统的中断，然后程序设置CPU的速度和时钟频率，设置CPU内部指令／数据cache，DRAM初始化，DRAM初始化完成后即可拷贝ROM中的代码到DRAM中，然后内存重映射，程序开始进入DRAM中执行，然后再初始化一些用户有特殊要求的端口、设备，比如LED或串口等，可以通过点亮LED，或者向串口打印一些调试信息，以此表明系统的状态是OK还是Error。然后准备进入C语言代码：拷贝Bootloader的RW/RO 段到相应的运行位置，初始化ZI段，初始化系统堆栈，设置FIQ/IRQ中断处理程序入口，设置完成就可以进入到C代码了。

在整个Bootloader的初始化过程中我们都不必响应中断，因此首先禁止系统的中断，然后程序设置CPU的速度和时钟频率，设置CPU内部指令／数据cache，DRAM初始化，DRAM初始化完成后即可拷贝ROM中的代码到DRAM中，然后内存重映射，程序开始进入DRAM中执行，然后再初始化一些用户有特殊要求的端口、设备，比如LED或串口等，可以通过点亮LED，或者向串口打印一些调试信息，以此表明系统的状态是OK还是Error。然后准备进入C语言代码：拷贝Bootloader的RW/RO 段到相应的运行位置，初始化ZI段，初始化系统堆栈，设置FIQ/IRQ中断处理程序入口，设置完成就可以进入到C代码了。

3.2.2 Bootloader的stage2

为了让程序跳入C语言的“main”函数，我们采用直接将pc指针指向“main”函数的方法，实现代码如下：

[ THUMBCODE ; [ = IF , 如果是汇编Thumb代码，则采用bx指令跳转

bx lr

| ; | = ELSE

mov pc, lr ; 汇编ARM代码，则直接跳转到main函数

] ; ] = ENDIF

进入main函数后即可以开始本阶段stage2的初始化任务，这包括：

（1）初始化至少一个串口，以便和终端用户进行交互；

（2）初始化计时器，延时并提示启动模式的选择，如果进入启动加载模式，则系统控制权交由uClinux操作系统，Bootloader功成身退，否则程序继续向下执行。

（3）初始化网络，包括网络基本信息配置等；

（5）如果系统配有LCD等外设，可以在此初始化；

（6）初始化Flash：检测是否支持该Flash芯片（可通过比较Flash ID的方式实现）；

（7）初始化中断，包括屏蔽中断，清除中断悬挂标志，初始化中断向量表，注册需要的中断处理函数等。

（8）初始化命令控制台，等待用户键入命令。

在初始化这些设备之前，也可以改变 LED 灯的状态，以表明我们已经进入main函数执行。设备初始化完成后，可以通过串口输出一些打印信息，如程序名字字符串、版本号等。本系统中采用的系统启动引导方案流程图如图1所示。

4.难点分析

4.1异常及中断处理

在ARM支持的7种模式中，共有5种异常模式，而其中又尤以外部中断模式（IRQ）应用较为广泛，其异常处理过程也较为复杂。本文下面将以IRQ异常处理为例，讲述一个通用的中断使用及处理过程。一个ARM通用的中断处理过程大致可以分为以下3步：

（1）异常响应：获取异常处理程序入口地址，并进入异常处理程序；

（2）现场保护及恢复：即进入中断服务程序（ISR）前后中断现场的保护和恢复；

（3）中断服务：计算中断源索引号，清中断，然后进入中断服务。

本例中IRQ异常处理相关代码如下：

ResetEntry

b SYS_RST_HANDLER ;复位异常

......

b IRQ_SVC_HANDLER ;外部中断请求

MACRO ;通过一个宏定义，统一处理各异常处理程序与异常向量地址的映射关系

$HandlerLabel HANDLER $ExceptHandler

$HandlerLabel

sub sp,sp,#4 ;预留一个字的空间用来保存PC的跳转地址

stmfd sp!,{r0} ;保存下面中断处理中使用到的r0寄存器

ldr r0,=$ExceptHandler ;将保存有异常处理函数入口的地址读入r0

ldr r0,[r0] ;将异常处理函数入口读入r0

str r0,[sp,#4] ;将异常处理函数入口存入堆栈中刚才预留的空间

ldmfd sp!,{r0,pc} ;恢复现场，同时跳入异常处理函数

MEND

IRQ_SVC_HANDLER HANDLER IrqSvcVector ;调用宏定义

......

SYS_RST_HANDLER ;复位异常时程序跳转地址

...... ;系统初始化代码

ldr r0, =IrqSvcVector

ldr r1, =IRQ_SERVICE

str r1, [r0] ;将IRQ异常处理程序入口存入变量IrqSvcVector ......

IRQ_SERVICE

STMFD sp!, {r0-r12, lr}

BL ISR_IrqHandler ;跳入C语言中定义的中断服务程序（ISR）

LDMFD sp!, {r0-r12, lr}

SUBS pc, lr, #4 ;异常返回同时复制相应SPSR到CPSR，实现处理器模式自动切换void ISR_IrqHandler(void) //C语言中定义的中断服务程序

{

unsigned int IntOffSet;

IntOffSet = (unsigned int)inl(INTOFFSET);//取出中断源索引号

Clear_PendingBit(IntOffSet>>2); //清中断

(*InterruptHandlers[IntOffSet>>2])(); // 进入对应的中断服务子函数

}

从上面的代码我们可以总结得出，接收到IRQ中断请求后程序的执行流程是：

（1）执行完当前指令，程序自动跳到0x18地址；

（2）从0x18 程序跳转到IRQ_SVC_HANDLER；

（3）从IRQ_SVC_HANDLER 再到SDRAM高端异常矢量表；

（4）从SDRAM高端异常矢量表跳转到IRQ_SERVICE异常处理程序；

（5）由IRQ_SERVICE最后进入中断服务程序，完成中断处理任务后返回。

4.2 命令控制台

当Bootloader工作在下载模式时，通常会通过串口向终端用户提供一个简单的命令控制台，为了使用的方便，我们这里对其功能进行了扩充，添加了命令键入时对键盘“上、下、左、右、Home、End”几个方向键的支持。

通过串口收发或显示字符时，我们使用的通常是字符的ASCII码。对于非控制字符，也即键入命令时我们可能使用到的命令字符，在控制台中我们使用了ASCII码值从0x20～0x7e之间的字符。对于控制字符，在常用字符ASCII码对照表中我们可以找到Enter键、Backspace （退格）键以及ESC键的ASCII码，但是却没有上下左右方向键以及Home、End键对应的ASCII码，通过对键盘输入字符的串口收发测试发现，如果在测试时按下了方向键则串口在每次按键后会连续发送出3字节数据，前两字节所有方向键的数据相同，分别是0x1b，0x5b，第3字节对应不同的按键，上下右左方向键分别对应的值为：0x41、0x42、0x43、0x44，Home 和End键对应的值为0x48和0x4b。故要检测键盘是否键入了方向键，需要向串口连续读取三字节的数据，同理，要控制光标向左、向右移动或Home、End也需要连续一次向串口发送3字节数据。命令控制台从串口接收到字符后，程序处理的流程图如图2所示。

5.结束语

Bootloader与具体的硬件环境和操作系统是紧密联系在一起，针对某个CPU芯片编写Bootloader代码，首先要了解该CPU的内核结构、指令系统，其次是具体芯片的结构和各种片上资源，以及所采用的操作系统。本文给出的Bootloader代码已经在基于Samsung公司的S3C4510B芯片开发的系统板上运行并测试通过。该Bootloader能够正常引导及更新uClinux内核，系统运行稳定，完全实现了设计目的，达到了嵌入式系统的设计要求。