關于三星S3C44B0X目標板的uClinux Bootloader

關于三星S3C44B0X目標板的uClinux Bootloader
(Implementing Bootloader for uClinux on Samsung S3C44B0X Board)

上海交通大學計算機科學與工程系      盛磊
(Department of Computer Science & Engineering, Shanghai Jiaotong University Lei SHENG)

摘要： S3C44B0X是常用的一款基于ARM7TDMI內核的RISC處理器。uClinux操作系統可以很好地支持此類無MMU的處理器。本文介紹了在S3C44B0X目標板上移植uClinux的重要步驟之一：Bootloader開發的概念和過程。

關鍵詞： S3C44B0X；uClinux；Bootloader；ARM Kernel XIP

本文于2005年1月13日收到。盛磊：工程碩士，主要從事嵌入式系統開發和半導體存儲器應用等方面的研究。

uClinux是為控制領域設計的嵌入式Linux操作系統，它沿襲了主流Linux的大部分特性，并進行了一定幅度的裁減。其設計主要針對沒有內存管理單元(MMU)的微處理器，例如基于ARM7TDMI內核的S3C44B0X。

嵌入式Linux系統通常由三部份組成：Bootloader、Kernel和File System。其中Bootloader是在系統啟動之后、Kernel運行之前所執行的第一段代碼，其任務是為調用Kernel準備必要的軟硬件環境。由此可見，Bootloader是非常依賴于硬件和操作系統的。所謂依賴于硬件，是指Bootloader的實現與處理器體系架構和板級硬件資源密切相關；所謂依賴于操作系統，是指不同操作系統的內核對調用方式和運行環境有不同的要求。

理論上，uClinux在引導時并非一定需要一個獨立于Kernel Image的Bootloader Image。然而將Bootloader與Kernel分開設計能夠使軟件架構更加清晰，也有助于靈活地支持多種引導方式，實現必要的輔助功能。uClinux Bootloader的主要任務可概括如下：

● 引導和初始化
● 加載uClinux Kernel
● 設置內核啟動參數
● 調用uClinux Kernel
● 輔助功能：文件下載、Flash燒寫、人機界面等

對于常見架構的處理器，一般都能找到現成的Bootloader，但其結構往往較為復雜，且仍需要針對具體的目標板進行移植。當然，也可以選擇自行開發Bootloader。由于Bootloader Image在物理上獨立于Kernel Image，因此不一定跟隨Linux選用GNU作為開發工具。對于ARM處理器，完全可以使用ADS或RVDS等集成環境來開發Bootloader。

1．引導和初始化

1．1 硬件初始化階段一

S3C44B0X在上電或復位后，程序從位于地址0x0的Reset Exception Vector處開始執行，因此需要在這里放置Bootloader的第一條指令：b ResetHandler，跳轉到標號ResetHandler處進行第一階段的硬件初始化，主要內容為：關WDT，關中斷，配置PLL和時鐘，初始化Memory Controller。這里比較重要的是配置PLL的輸出頻率，S3C44B0X最高能夠支持66MHz；如果目標板上使用DRAM/SDRAM，應當據此計算刷新頻率等相關參數。

1．2 建立異常向量表

ARM7TDMI內核規定：包括Reset Exception Vector在內的異常向量表的基地址是0x0，所以存放Bootloader的Flash基地址也必須是0x0；而S3C44B0X處理器又不支持Remap，這意味著一旦發生中斷，程序就要跳轉到Flash中的異常向量表(中斷屬于異常的一種)。uClinux會在RAM里建立自己的二級異常向量表(基地址缺省為0x0C000000)；所以編寫Bootloader時，0x0處的一級異常向量表只需簡單地包含向二級異常向量表的跳轉：

    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運行過程中不必響應中斷，那么上面的配置已能滿足要求。如果某些Bootloader功能要求使用中斷(例如用Timer Interrupt實現精確定時)，那么Bootloader必須在同樣的位置建立自己的二級異常向量表，以便同uClinux保持一致。這張表應存放在Flash中，并由Bootloader復制到RAM地址0x0C000000處。

1．3 初始化各種處理器模式

ARM7TDMI內核支持7種處理器模式：User，FIQ，IRQ，Supervisor，Abort，System和Undefined。Bootloader需要依次切換到每種模式，初始化該模式的程序狀態寄存器(SPSR)和堆棧指針(SP)。S3C44B0X在上電或復位后處于Supervisor模式；本步驟中應該在最后切換回Supervisor模式，即Bootloader后續部份仍將運行在Supervisor模式下。

1．4 section重定位

對于ADS或RVDS等開發工具，一個ARM程序通常由RO、RW和ZI三個section組成，其中RO是代碼和常量，RW是已初始化的全局變量，ZI是未初始化的全局變量(在GNU中對應的概念是TEXT、DATA和BSS)。RO代碼既可以在Flash中運行，也可以在RAM中運行。考慮到Bootloader可能需要燒寫Flash，而燒寫時處理器無法從Flash中讀取指令，因此應將RO和RW復制到RAM中，并將ZI清零。RO復制完畢之后，程序就可以跳轉到RAM中運行。若不考慮燒寫Flash，則Bootloader不必復制RO，程序始終在Flash中運行。

1．5 填寫中斷向量表

中斷向量表一般位于RAM地址的最高端，存放著各個ISR的入口地址。由于IRQ Exception為全部中斷所共用，因此必須在IRQ Exception服務例程中根據中斷狀態寄存器來判斷中斷源并調用相應的ISR。各個ISR的入口地址需要在這一步里填寫。

另外，S3C44B0X的中斷控制器支持Vectored和Non-Vectored兩種中斷處理模式，其中前者是Samsung自行開發的模式，并不被大多數ARM處理器所支持。考慮到代碼的可移植性，上面只討論了Non-Vectored Mode。

1．6 硬件初始化階段二

遵循“必要”原則繼續對硬件資源進行初始化，包括S3C44B0X內置的GPIO、Cache、中斷控制器和UART等。Bootloader中暫未用到的設備可以留待使用之前再進行初始化。

S3C44B0X內置有數據/指令合一的8KB Cache，且允許按照地址范圍設置兩個Non-Cacheable的區間。合理的配置是打開對RAM地址區間的Cache，關閉對其它地址區間的Cache，以避免可能存在的Cache一致性問題。

1．7 建立人機界面

引導過程的最后一步是在串行終端上建立人機交互界面。常見的做法是先等待固定的時間，若未接收到用戶輸入，則直接從Flash中加載或調用uClinux Kernel；若接收到用戶輸入，則顯示菜單模式或命令行模式的交互界面，并等待進一步的命令。

2． 加載uClinux Kernel

Bootloader是否需要執行加載操作，取決于uClinux Kernel Image的類型。根據不同的配置方式，可以生成以下幾種uClinux Kernel Image：

2．1 非壓縮，非XIP

XIP(eXecute In Place)是指在存放代碼的位置上就地運行程序；而非XIP就是指在運行之前需要對代碼進行重定位。該類型的uClinux Kernel Image以非壓縮格式存放在Flash中，需由Bootloader加載到RAM然后調用。該類型在開發調試階段最為常用。

2．2 非壓縮，XIP

該類型的uClinux Kernel Image以非壓縮格式存放在Flash中，不需加載，由Bootloader直接調用。復制Data段和清零BSS段的工作由Kernel自行完成。該類型常用于RAM空間非常有限的系統中，缺點是程序在Flash中運行的速度稍慢。

2．3 RAM自解壓

壓縮格式的uClinux Kernel Image由開頭的一段自解壓代碼和其后的壓縮數據組成。由于是以壓縮格式存放，因此Kernel只能以非XIP方式運行。RAM自解壓的uClinux Kernel Image存放在Flash中，由Bootloader加載到RAM中的臨時空間，然后調用自解壓代碼。Kernel被解壓到最終的目標空間然后運行；壓縮鏡像所占據的臨時空間在隨后由uClinux回收利用。該類型占用Flash較少，且運行速度較快，在最終產品中更為常見。

2．4 ROM自解壓

解壓縮代碼也能夠以XIP的方式在Flash中運行。ROM自解壓的uClinux Kernel Image存放在Flash中，不需加載，由Bootloader直接調用其自解壓代碼，將uClinux Kernel解壓到最終的目標空間并運行之。與RAM自解壓相比，ROM自解壓并不真正節省RAM，而且解壓縮的速度較慢，因此實用價值不大。

3． 設置內核啟動參數

Linux 2.4版本以后的內核都期望以標記列表(tagged list)的形式來接收啟動參數。每個標記存放在一個tag結構中，每個tag結構由標識被傳遞參數的tag_header結構以及隨后的參數值組成。通常由Bootloader設置的啟動參數有：ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_SERIAL等。啟動參數的標記列表以ATAG_CORE開始，以ATAG_NONE結束，代碼示例如下。其中0x0C000100是內核啟動參數在RAM中的基地址，Bootloader應當將要傳遞的啟動參數復制到該處RAM中；指針params的類型是struct tag。宏tag_next()以指向當前標記的指針為參數，計算下一個標記的起始地址。

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;

對應地，在Linux內核源碼arch/armnommu/mach-s3c44b0/arch.c中設置內核啟動參數在RAM中的基地址：

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

4． 調用uClinux Kernel

Bootloader調用Kernel的方法是直接跳轉到其第一條指令處。對于ARM處理器，在跳轉時應當滿足下列條件：r0＝0；r1＝Machine ID；禁止IRQ和FIQ；處理器運行在Supervisor模式；關閉MMU；關閉Data Cache。

對于S3C44B0X，它沒有MMU，其Cache是指令與數據合一的，因此只能全部關閉。
各種ARM處理器的Machine ID均由www.arm.linux.org.uk分配；S3C44B0X的Machine ID是178。據此，用C代碼實現的Kernel調用示例如下，其中r0和r1的值通過參數傳遞：

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

5． 輔助功能

完整的Bootloader還應該允許更新Flash中存放的uClinux Kernel Image以及Bootloader自身。為此，必要的輔助功能包括：從主機下載文件到目標板的RAM；用RAM中的數據燒寫Flash；以及實現上述操作所需的人機交互接口，這里就不贅述了。

參考文獻：

[1] 李善平，劉文峰等，Linux與嵌入式系統，清華大學出版社，2003年1月
[2] 詹榮開，嵌入式系統Boot Loader技術內幕，2003年12月
[3] ARM Architecture Reference Manual, ARM, 2000
[4] S3C44B0X RISC Microprocessor User's Manual, Samsung, 2002