自己动手写Bootloader（基于jz2440）

ARM

本帖最后由 wytt 于 2017-8-26 19:33 编辑

   很多人可能都认为Bootloader是一个无关紧要的，但其实我个人认为想要更好地学习嵌入式Linux，从写自己第一个简单的Bootloader也可以算是一个简单的切入了。（虽然我自己写得并不怎么样，希望大家多多指导批评）             其实Bootloader说白了就是将操作系统内核复制到内存中运行，它在系统上电时就开始执行，是用来启动内核的。
      不同的结构来说起始的地址都不同，对于我学习的ARM结构的CPU一般是从地址0x0000000开始的，Bootloader就存放在这个地址的开始处，这样一上电就可以执行。
      Bootloader大多都是两阶段的启动过程
      第一阶段使用汇编来实现，它完成一些依赖于CPU体系结构的初始化，并调用第二阶段的代码，所有嵌入式BootLoader最开始一般都是用汇编语言来写的，因为开发板在上电后没有准备好C程序运行环境，比如说堆栈指针SP没有指到正确的位置，第一部分的初始化利用汇编来写的话还能有效的提高bootloader的运行效率。
      第二阶段的代码通常使用C语言来实现，这样可以实现更复杂的功能，而且代码会有更好的可读性和可移植性。

对于写Bootloader第一阶段（start.s）的代码可分为下面几个步骤
（1）关看门狗：如果没有关闭看门狗，开发板会在一定的时间周期内不断进行重启
      ldr r0, =0x53000000
      mov r1, #0
      str r1, [r0]

（2）设置时钟（不同开发板需要设置的时间参数不一样）
      ldr r0, =0x4c000014
      mov r1, #0x03;
      str r1, [r0]

      /* MPLLCON = S3C2440_MPLL_200MHZ */
      ldr r0, =0x4c000004
      ldr r1, =S3C2440_MPLL_200MHZ
      str r1, [r0]

（3）初始化SDRAM：为加载Bootloader的第二阶段代码准备RAM空间。
（4）重定位：重定位就是把Bootloader本身的代码从flash复制到它的链接地址去，在第一阶段的重定位代码中，需要调用nand_init对nand flash进行初始化设置，在拷贝代码前还需要判断开发板是为nor启动还是nand启动

      ldr sp, =0x34000000

      bl nand_init

      mov r0, #0
      ldr r1, =_start
      ldr r2, =__bss_start
      sub r2, r2, r1

      bl copy_code_to_sdram
      bl clean_bss

判断开发板为nor启动还是nand启动（放在Init.c中）：
如果将S3C2440配置成从NANDFLASH启动（将开发板的启动开关拔到nand端，此时OM0管脚拉低）S3C2440的Nand控制器会自动把Nandflash中的前4K代码数据搬到内部SRAM中(地址为0x40000000),同时还把这块SRAM地址映射到了0x00000000地址。CPU从0x00000000位置开始运行程序。

如果将S3C2440配置成从Norflash启动（将开发的启动开关拔到nor端，此时OM0管脚拉高），0x00000000就是norflash实际的起始地址，norflash中的程序就从这里开始运行，不涉及到数据拷贝和地址映射。
说白了，就是当开发板为nand启动时，nand flash的前4K数据将会自动拷贝到SDRAM中，然后将SDRAM的地址映射到内存中，也就是一开始写入nand flash前4K中的数据也就是直接写入到了内存中，我们就可以通过判断写入值和内存中0地址的值是否相同来判断是nor启动还是nand启动。代码如下：
int isBootFromNorFlash(void)
{
      volatile int *p = (volatile int *)0;
      int val;

      val = *p;
      *p = 0x12345667;
      if(*p == 0x12345667)
      {
            *p = val;
            return 0;
      }
      else
      {
            return 1;
      }
}

  （5）执行main函数，跳转到main函数中执行。Bootloader第二段代码（C语言部分）
用C语言可用下面代码来调用内核
在Mian函数中，我们调用了nand_read(0x60000+64, (unsigned char *)0x30008000, 0x200000)，
意思是：我们这里是将uImage拷贝到0x30008000处，uImage是压缩的内核，包括一个头还有真正的内核。头是64字节，uImage的地址是0x60000，所以真正的内核的地址是0x60000+64。
      thekernel = (void (*)(int, int, unsigned int))0x30008000;
      thekernel(0, 362, 0x30000100);

Bootloader与内核的交互是单向的，Bootloader将各类参数传给内核，由于它们不能同时运行，传递的办法只有一个：Bootloader将参数放在某个约定的地点之后再启动内核，内核从这个地方获取参数。

内核一般都是以标记列表的形式来传递启动参数，因此启动参数的设置就显得十分重要了。标记其实就是一种数据结构，而标记列表就是多个标记的组合，标记列表一般以ATAG_CORE开始，以标记ATAG_NONE结束。

标记的数据结构为tag，它是由一个tag_header结构体和一个union组成，它的形式如下：
   struct tag_header {
      u32 size;    //传递类型的大小
      u32 tag;    //传递参数的类型
};struct tag {  struct tag_header hdr;
      union {
            struct tag_core core;
            struct tag_mem_range mem_range;
            struct tag_cmdline cmdline;
            struct tag_clock clock;
            struct tag_ethernet ethernet;
      } u;
};

下面就详细来说明如何传递参数（放在Init.c中）

第一步：设置标记ATAG_CORE（标记列表就是从这里开始的）
假设Bootloader与内核约定存放的地址为0x30000100,则标记ATAG_CORE可以这么设置

      params = (struct tag *) 0x30000100;
      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);

第二步设置内存标记
假设开发板使用的内存起始地址为0x30000000，大小为0x400000，则内存标记可以这么设置：

      params->hdr.tag = ATAG_MEM;
      params->hdr.size = tag_size (tag_mem32);

      params->u.mem.start = 0x30000000;
      params->u.mem.size = 64*1024*1024;

      params = tag_next (params);

第三步：设置命令行标记
命令行就是一个字符串，它用来控制内核的一些行为
比如“noinitrd root=/dev/mtdblock3 init=/linuxrc console=ttySAC0”表示根文件系统在MTD3分区上，系统启动后执行第一个程序是/linuxrc,控制台为ttySAC0，即第一个串口。
      int len = strlen (cmdline) + 1;
      params->hdr.tag = ATAG_CMDLINE;
      params->hdr.size =(sizeof (struct tag_header)  + len + 3) >> 2;

      strcpy (params->u.cmdline.cmdline, cmdline);

      params = tag_next (params);

第四步就是设置标记队列的最后一个标记ATAG_NONE
      params->hdr.tag = ATAG_NONE;
      params->hdr.size = 0;

在第二阶段C语言的main函数中我们需要做的是：
1：从nand flash 中把内核读入到内核
2：设置参数
3：跳转执行

第一步：从nand flash 中把内核读入到内核
调用nand_read（unsigned int addr, unsigned char *buf, unsigned int len）；
addr指的是内核存放的地址
buf指的是你想把内核拷到什么地方
len指的是你想拷多大
注意：写读函数时不同nand flash有不同的设置

写nand_read（）函数的步骤（对于不同的nand flash操作不同，看对应的手册）
1、片选
void nand_select(void)
{
      NFCONT &= ~(1<<1);
}

2、发出读命令00h
void nand_cmd(unsigned char cmd)
{
      volatile int i;
      NFCMMD = cmd;
      for(i = 0 ; i < 10; i++);
}

3、发出地址（这个地方我也是半懂半不懂的）
void nand_addr(unsigned char addr)
{
      volatile int i;
      unsigned int col = addr % 2048;
      unsigned int page = addr / 2048;

      NFADDR =col & 0xff;
      for(i = 0 ; i < 10; i++);
      NFADDR =(col >> 8) & 0xff;
      for(i = 0 ; i < 10; i++);

      NFADDR =page & 0xff;
      for(i = 0 ; i < 10; i++);
      NFADDR =(page >> 8) & 0xff;
      for(i = 0 ; i < 10; i++);
      NFADDR =(page >> 16) & 0xff;
      for(i = 0 ; i < 10; i++);
}

4、发出读命令30h
5、判断状态
判断R/n管脚，高电平表示已经准备就绪。
6、读数据
读数据直接读对应数据寄存器就可以了
7、读完取消选中

因为nand flash一次只能传递八位数据，因为数据需要分成绩几个周期来进行传递，需要不断循环上述过程知道读取完毕。