Linux bootloader全程详解(ARM S3C2410)

写在前面：这篇文章已经写的很详细了。主要参考的就是正果过程，如果要是移植bootloader的话应该找一套现成的源码，至少我是这么认为的，虽然我还没有移植过。 

网上关于Linux的BOOTLOADER文章不少了,但是大都是vivi,blob等比较庞大的程序,读起来不太方便,编译出的文件也比较大,而且更多的是面向开发用的引导代码,做成产品时还要裁减,这一定程度影响了开发速度,对初学者学习开销也比较大,在此分析一种简单的BOOTLOADER,是在三星公司提供的S3C2410 BOOTLOADER上稍微修改后的结果,编译出来的文件大小不超过4k,希望对大家有所帮助.

1.几个重要的概念

• COMPRESSED KERNEL and DECOMPRESSED KERNEL 
  压缩后的KERNEL,按照文档资料,现在不提倡使用DECOMPRESSED KERNEL,而要使用COMPRESSED KERNEL,它包括了解压器.因此要在ram分配时给压缩和解压的KERNEL提供足够空间,这样它们不会相互覆盖. 
  当执行指令跳转到COMPRESSED KERNEL后,解压器就开始工作,如果解压器探测到解压的代码会覆盖掉COMPRESSED KERNEL,那它会直接跳到COMPRESSED KERNEL后存放数据,并且重新定位KERNEL,所以如果没有足够空间,就会出错.

• Jffs2 File System 
  可以使armlinux应用中产生的数据保存在FLASH上,我的板子还没用到这个.

• RAMDISK 
  使用RAMDISK可以使ROOT FILE SYSTEM在没有其他设备的情况下启动.一般有两种加载方式,我就介绍最常用的吧,把COMPRESSED RAMDISK IMAGE放到指定地址,然后由BOOTLOADER把这个地址通过启动参数的方式ATAG_INITRD2传递给KERNEL.具体看代码分析.

• 启动参数(摘自IBM developer) 
  在调用内核之前，应该作一步准备工作，即：设置 Linux 内核的启动参数。Linux 2.4.x以后的内核都期望以标记列表(tagged list)的形式来传递启动参数。启动参数标记列表以标记 ATAG_CORE 开始，以标记 ATAG_NONE 结束。每个标记由标识被传递参数的tag_header 结构以及随后的参数值数据结构来组成。数据结构 tag 和 tag_header 定义在 Linux 内核源码的include/asm/setup.h 头文件中. 
  在嵌入式 Linux 系统中，通常需要由 BOOTLOADER 设置的常见启动参数有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等。 
  (注)参数也可以用COMMANDLINE来设定,在我的BOOTLOADER里,我两种都用了.

2.开发环境和开发板配置: 
CPU:S3C2410,BANK6上有64M的SDRAM(两块),BANK0上有32M NOR FLASH,串口当然是逃不掉的.这样,按照数据手册,地址分配如下: 
0x4000_0000开始是4k的片内DRAM. 
0x0000_0000开始是32M FLASH 16bit宽度 
0x3000_0000开始是64M SDRAM 32bit宽度 
注意:控制寄存器中的BANK6和BANK7部分必须相同. 
0x4000_0000(片内DRAM)存放4k以内的BOOTLOADER IMAGE 
0x3000_0100开始存放启动参数 
0x3120_0000 存放COMPRESSED KERNEL IMAGE 
0x3200_0000 存放COMPRESSED RAMDISK 
0x3000_8000 指定为DECOMPRESSED KERNEL IMAGE ADDRESS 
0x3040_0000 指定为DECOMPRESSED RAMDISK IMAGE ADDRESS 
开发环境:Redhat Linux,armgcc toolchain, armlinux KERNEL

如何建立armgcc的编译环境:建议使用toolchain,而不要自己去编译armgcc,偶试过好多次,都以失败告终. 
先下载arm-gcc 3.3.2 toolchain 
将arm-linux-gcc-3.3.2.tar.bz2 解压到 /toolchain 
# tar jxvf arm-linux-gcc-3.3.2.tar.bz2 
# mv /usr/local/arm/3.3.2 /toolchain 
在makefile 中在把arch=arm CROSS_COMPILE设置成toolchain的路径 
还有就是INCLUDE = -I ../include -I /root/my/usr/local/arm/3.3.2/include.,否则库函数就不能用了

3.启动方式: 
可以放在FLASH里启动,或者用Jtag仿真器.由于使用NOR FLASH,根据2410的手册,片内的4K DRAM在不需要设置便可以直接使用,而其他存储器必须先初始化,比如告诉memory controller,BANK6里有两块SDRAM,数据宽度是32bit,= =.否则memory control会按照复位后的默认值来处理存储器.这样读写就会产生错误. 
所以第一步,通过仿真器把执行代码放到0x4000_0000,(在编译的时候,设定TEXT_BAS 
E=0x40000000) 。
第二步,通过 AxD把linux KERNEL IMAGE放到目标地址(SDRAM)中,等待调用 
第三步,执行BOOTLOADER代码,从串口得到调试数据,引导armlinux

4.代码分析 
讲了那么多执行的步骤,是想让大家对启动有个大概印象,接着就是BOOTLOADER内部的代码分析了,BOOTLOADER文章内容网上很多,我这里精简了下,删除了不必要的功能. 
BOOTLOADER一般分为2部分,汇编部分和c语言部分,汇编部分执行简单的硬件初始化,C部分负责复制数据,设置启动参数,串口通信等功能. 
BOOTLOADER的生命周期: 
1. 初始化硬件,比如设置UART(至少设置一个),检测存储器= =. 
2. 设置启动参数,这是为了告诉内核硬件的信息,比如用哪个启动界面,波特率 = =. 
3. 跳转到Linux KERNEL的首地址. 
4. 消亡 

当然,在引导阶段,象vivi等,都用虚地址,如果你嫌烦的话,就用实地址,都一样. 
我们来看代码: 
2410init.s 
.global _start//开始执行处 
_start: 
//下面是中断向量 
b reset @ Supervisor Mode//重新启动后的跳转 
…… 
…… 
reset: 
ldr r0,=WTCON /WTCON地址为53000000,watchdog的控制寄存器 */ 
ldr r1,=0x0 /*关watchdog*/ 
str r1,[r0] 

ldr r0,=INTMSK 
ldr r1,=0xffffffff /*屏蔽所有中断*/ 
str r1,[r0] 

ldr r0,=INTSUBMSK 
ldr r1,=0x3ff /*子中断也一样*/ 
str r1,[r0] 
/*Initialize Ports...for display LED.*/ 
ldr r0, =GPFCON 
ldr r1, =0x55aa 
str r1, [r0] 
ldr r0, =GPFUP 
ldr r1, =0xff 
str r1, [r0] 
ldr r0,=GPFDAT 
ldr r1,=POWEROFFLED1 
str r1,[r0] 
/* Setup clock Divider control register 
* you must configure CLKDIVN before LOCKTIME or MPLL UPLL 
* because default CLKDIVN 1,1,1 set the SDMRAM Timing Conflict 
nop 
* FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4 in this case 
*/ 
ldr r0,=CLKDIVN 
ldr r1,=0x3 
str r1,[r0] 

/*To reduce PLL lock time, adjust the LOCKTIME register. */ 
ldr r0,=LOCKTIME 
ldr r1,=0xffffff 
str r1,[r0] 
/*Configure MPLL */ 
ldr r0,=MPLLCON 
ldr r1,=((M_MDIV<<12)+(M_PDIV<<4)+M_SDIV) //Fin=12MHz,Fout=203MHz 
str r1,[r0] 
ldr r1,=GSTATUS2 
ldr r10,[r1] 
tst r10,#OFFRST

bne 1000f 
//以上这段,我没动,就用三星写的了,下面是主要要改的地方 
/* MEMORY C0NTROLLER(MC)设置*/ 
add r0,pc,#MCDATA - (.+8)// r0指向MCDATA地址,那里存放着MC初始化要用到的数据 
ldr r1,=BWSCON // r1指向MC控制器寄存器的首地址 
add r2,r0,#52 // 复制次数,偏移52字 

1: //按照偏移量进行循环复制 
ldr r3,[r0],#4 
str r3,[r1],#4 
cmp r2,r0 
bne 1b 
.align 2 

MCDATA: 
.word (0+(B1_BWSCON<<4)+(B2_BWSCON<<8)+(B3_BWSCON<<12)
+(B4_BWSCON<<16)+(B5_BWSCON<<20)+(B6_BWSCON<<24)+(B7_BWSCON<<28)) 
上面这行就是BWSCON的数据,具体参数意义如下: 

需要更改设置DW6 和DW7都设置成10,即32bit,DW0 设置成01,即16bit 
下面都是每个BANK的控制器数据,大都是时钟相关,可以用默认值,设置完MC后,就跳到调用main函数的部分 
.word ((B0_Tacs<<13)+(B0_Tcos<<11)+(B0_Tacc<<8)+(B0_Tcoh<<6)
+(B0_Tah<<4)+(B0_Tacp<<2)+(B0_PMC)) 
.word ((B1_Tacs<<13)+(B1_Tcos<<11)+(B1_Tacc<<8)+(B1_Tcoh<<6)
+(B1_Tah<<4)+(B1_Tacp<<2)+(B1_PMC)) 
.word ((B2_Tacs<<13)+(B2_Tcos<<11)+(B2_Tacc<<8)+(B2_Tcoh<<6)
+(B2_Tah<<4)+(B2_Tacp<<2)+(B2_PMC)) 
.word ((B3_Tacs<<13)+(B3_Tcos<<11)+(B3_Tacc<<8)+(B3_Tcoh<<6)
+(B3_Tah<<4)+(B3_Tacp<<2)+(B3_PMC)) 
.word ((B4_Tacs<<13)+(B4_Tcos<<11)+(B4_Tacc<<8)+(B4_Tcoh<<6)
+(B4_Tah<<4)+(B4_Tacp<<2)+(B4_PMC)) 
.word ((B5_Tacs<<13)+(B5_Tcos<<11)+(B5_Tacc<<8)+(B5_Tcoh<<6)
+(B5_Tah<<4)+(B5_Tacp<<2)+(B5_PMC)) 
.word ((B6_MT<<15)+(B6_Trcd<<2)+(B6_SCAN)) 
.word ((B7_MT<<15)+(B7_Trcd<<2)+(B7_SCAN)) 
.word ((REFEN<<23)+(TREFMD<<22)+(Trp<<20)+(Trc<<18)+(Tchr<<16)+REFCNT) 
.word 0xB2 /* REFRESH Control Register */ 
.word 0x30 /* BANKSIZE Register : Burst Mode */ 
.word 0x30 /* SDRAM Mode Register */ 

.align 2 
.global call_main //调用main函数,函数参数都为0 
call_main: 
ldr sp,STACK_START 
mov fp,#0 /* no previous frame, so fp=0*/ 
mov a1, #0 /* set argc to 0*/ 
mov a2, #0 /* set argv to NUL*/ 
bl main /* call main*/ 
STACK_START: 
.word STACK_BASE 
undefined_instruction: 
software_interrupt: 
prefetch_abort: 
data_abort: 
not_used: 
irq: 
fiq: 
/*以上是主要的汇编部分,实现了时钟设置,串口设置watchdog关闭,中断关闭功能(如果有需要还可以降频使用),然后转入main*/ 
2410init.c file 
int main(int argc,char **argv) 
{ 
u32 test = 0; 
//压缩后的IMAGE地址
void (*theKERNEL)(int zero, int arch, unsigned long params_addr) = 
(void (*)(int, int, unsigned long))RAM_COMPRESSED_KERNEL_BASE; 
int i,k=0; 
// downPt=(RAM_COMPRESSED_KERNEL_BASE); 
chkBs=(_RAM_STARTADDRESS);//SDRAM开始的地方 
// fromPt=(FLASH_LINUXKERNEL); 
MMU_EnableICache(); 
ChangeClockDivider(1,1); // 1:2:4 
ChangeMPllvalue(M_MDIV,M_PDIV,M_SDIV); //Fin=12MHz FCLK=200MHz 
Port_Init();//设置I/O端口,在使用com口前,必须调用这个函数,否则通信芯片根本得不到数据 
Uart_Init(PCLK, 115200);//PCLK使用默认的200000,拨特率115200 
/*******************(检查ram空间)*******************/ 
Uart_SendString("\n\tLinux S3C2410 Nor BOOTLOADER\n"); 
Uart_SendString("\n\tChecking SDRAM 2410loader.c...\n"); 
for(;chkBs<0x33FA0140;chkBs=chkBs+0x4,test++)//

/* 
根据我的经验,最好以一个字节为递增,我们的板子,在256byte递增检测的时候是没问题的,但是以1byte递增就出错了,第13跟数据线随几的会冒”1”,检测出来是硬件问题,现象如下 
用仿真器下代码测试SDRAM，开始没贴28F128A3J FLASH片子，测试结果很好，但在上了FLASH片子之后，测试数据（data）为0x00000400连续成批写入读出时，操作大约1k左右内存空间就会出错，而且随机。那个出错数据总是变为0x00002400，数据总线10位和13位又没短路发生。用其他数据//测试比如0x00000200；0x00000800没这问题。dx帮忙。
至今没有解决,所以我用不了Flash. */

{ 
chkPt1 = chkBs; 
*(u32 *)chkPt1 = test;//写数据 
if(*(u32 *)chkPt1==1024))//读数据和写入的是否一样? 
{ 
chkPt1 += 4; 
Led_Display(1); 
Led_Display(2); 
Led_Display(3); 
Led_Display(4); 
} 
else 
goto error; 
} 
Uart_SendString("\n\tSDRAM Check Successful!\n\tMemory Maping..."); 
get_memory_map();

//获得可用memory 信息,做成列表,后面会作为启动参数传给KERNEL 
//所谓内存映射就是指在4GB 物理地址空间中有哪些地址范围被分配用来寻址系统的 RAM 单元。 
Uart_SendString("\n\tMemory Map Successful!\n"); 
/*我用仿真器把KERNEL,RAMDISK直接放在SDRAM上,所以下面这段是不需要的,但是如果KERNEL,RAMDISK在FLASH里,那就需要. */

/*******************(copy linux KERNEL)*******************/ 
Uart_SendString("\tLoading KERNEL IMAGE from FLASH... \n "); 
Uart_SendString("\tand copy KERNEL IMAGE to SDRAM at 0x31000000\n"); 
Uart_SendString("\t\tby LEIJUN DONG dongleijun4000@hotmail.com \n");

//3*1024*1024/32linux KERNEL des,src,length=3M
for(k = 0;k < 196608;k++,downPt += 1,fromPt += 1) 
* (u32 *)downPt = * (u32 *)fromPt;

/*******************(load RAMDISK)*******************/ 
Uart_SendString("\t\tloading COMPRESSED RAMDISK...\n"); 
downPt=(RAM_COMPRESSED_RAMDISK_BASE); 
fromPt=(FLASH_RAMDISK_BASE);

//3*1024*1024/32linux KERNEL des,src,length=3M
for(k = 0;k < 196608;k++,downPt += 1,fromPt += 1) 
* (u32 *)downPt = * (u32 *)fromPt;

/******jffs2文件系统,在开发中如果用不到FLASH,这段也可以不要********/

Uart_SendString("\t\tloading jffs2...\n"); 
downPt=(RAM_JFFS2); 
fromPt=(FLASH_JFFS2); 
for(k = 0;k < (1024*1024/32);k++,downPt += 1,fromPt += 1) 
* (u32 *)downPt = * (u32 *)fromPt; 
Uart_SendString( "Load Success...Run...\n ");

/*******************(setup param)*******************/ 
setup_start_tag();//开始设置启动参数 
setup_memory_tags();//内存印象 
setup_commandline_tag("console=ttyS0,115200n8");//启动命令行 
setup_initrd2_tag();//root device 
setup_RAMDISK_tag();//ramdisk image 
setup_end_tag();

/*关I-cache */ 
asm ("mrc p15, 0, %0, c1, c0, 0": "=r" (i)); 
i &= ~0x1000; 
asm ("mcr p15, 0, %0, c1, c0, 0": : "r" (i)); 
/* flush I-cache */ 
asm ("mcr p15, 0, %0, c7, c5, 0": : "r" (i));

//下面这行就跳到了COMPRESSED KERNEL的首地址 
theKERNEL(0, ARCH_NUMBER, (unsigned long *)(RAM_BOOT_PARAMS));

/*启动kernel时候,I-cache可以开也可以关,r0必须是0,r1必须是CPU型号 
(可以从linux/arch/arm/tools/mach-types中找到),r2必须是参数的物理开始地址*/
/*******************END*******************/ 
error: 
Uart_SendString("\n\nPanic SDRAM check error!\n"); 
return 0; 
}

static void setup_start_tag(void) 
{ 
params = (struct tag *)RAM_BOOT_PARAMS;//启动参数开始的地址 
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); 
} 


static void setup_memory_tags(void) 
{ 
int i; 

for(i = 0; i < NUM_MEM_AREAS; i++) { 
if(memory_map[i].used) { 
params->hdr.tag = ATAG_MEM; 
params->hdr.size = tag_size(tag_mem32); 
params->u.mem.start = memory_map[i].start; 
params->u.mem.size = memory_map[i].len; 
params = tag_next(params); 
} 
} 
} 


static void setup_commandline_tag(char *commandline) 
{ 
int i = 0; 
/* skip non-existent command lines so the kernel will still 
* use its default command line. 
*/ 
params->hdr.tag = ATAG_CMDLINE; 
params->hdr.size = 8; 
//console=ttyS0,115200n8 
strcpy(params->u.cmdline.cmdline, p); 
params = tag_next(params); 
} 


static void setup_initrd2_tag(void) 
{ 
/* an ATAG_INITRD node tells the kernel where the compressed 
* ramdisk can be found. ATAG_RDIMG is a better name, actually. 
*/ 
params->hdr.tag = ATAG_INITRD2; 
params->hdr.size = tag_size(tag_initrd); 
params->u.initrd.start = RAM_COMPRESSED_RAMDISK_BASE; 
params->u.initrd.size = 2047;//k byte 
params = tag_next(params); 
}

static void setup_ramdisk_tag(void) 
{ 
/* an ATAG_RAMDISK node tells the kernel how large the 
* decompressed ramdisk will become. 
*/ 
params->hdr.tag = ATAG_RAMDISK; 
params->hdr.size = tag_size(tag_ramdisk); 
params->u.ramdisk.start = RAM_DECOMPRESSED_RAMDISK_BASE; 
params->u.ramdisk.size = 7.8*1024; //k byte 
params->u.ramdisk.flags = 1; // automatically load ramdisk 
params = tag_next(params); 
} 


static void setup_end_tag(void) 
{ 
params->hdr.tag = ATAG_NONE; 
params->hdr.size = 0; 
} void Uart_Init(int pclk,int baud)//串口是很重要的 
{ 
int i; 
if(pclk == 0) 
pclk = PCLK; 
rUFCON0 = 0x0; //UART channel 0 FIFO control register, FIFO disable 
rUMCON0 = 0x0; //UART chaneel 0 MODEM control register, AFC disable 

//UART0 
rULCON0 = 0x3; //Line control register : Normal,No parity,1 stop,8 bits 
下面这段samsung好象写的不太对,但是我按照Normal,No parity,1 stop,8 bits算出来的确是0x245 

// [10] [9] [8] [7] [6] [5] [4] [3:2] [1:0] 
// Clock Sel, Tx Int, Rx Int, Rx Time Out, Rx err, Loop-back, Send break, Transmit Mode, Receive Mode 
// 0 1 0 , 0 1 0 0 , 01 01 
// PCLK Level Pulse Disable Generate Normal Normal Interrupt or Polling 
rUCON0 = 0x245; // Control register 
rUBRDIV0=( (int)(PCLK/16./ baud) -1 ); //Baud rate divisior register 0 
delay(10); 
}

经过以上的折腾,接下来就是kernel的活了.能不能启动kernel,得看你编译kernel的水平了. 这个BOOTLOADER不象blob那样需要交互信息,使用虚拟地址,总的来说非常简洁明了.