引導加載程序vivi 的分析和移植研究

摘  要：Bootloader是嵌入式系統軟件開發(fā)的第一個環(huán)節(jié)，它將軟硬件緊密地銜接在一起，對于一個嵌入式設備后續(xù)的軟件開發(fā)至關重要。本文以S3C2410x處理器和嵌入式Linux為基礎，對嵌入式系統中的一款Bootloader進行分析和研究。在對vivi的分析過程中，探討了vivi在S3C2410x處理器上的移植。

關鍵詞： Bootloader；vivi ；S3C2410x

引言

Bootloader(引導裝載器)是用于初始化目標板硬件，給嵌入式操作系統提供板上硬件資源信息，并進一步裝載、引導嵌入式操作系統運行的固件。在嵌入式系統開發(fā)過程中， Bootloader的編寫往往是設計的主要難點。目前，Bootloader的開發(fā)通常都是基于一些開源的Bootloader(如vivi、U－Boot、Blob、ARMBoot、RedBoot等)而設計，它們在設計思路上有許多相通之處。

vivi是當前比較流行的，專門針對ARM9處理器而設計的一款Bootloader，它操作簡便，同時提供了完備的命令體系。因此，對其進行分析和研究具有一定的實際意義。
　　
vivi簡介

vivi是由韓國Mizi公司開發(fā)的一種Bootloader，適合于ARM9處理器，支持S3C2410x處理器，其源代碼可以在http://www.mizi.com網站下載。和所有的Bootloader一樣，vivi有兩種工作模式，即啟動加載模式和下載模式。當vivi處于下載模式時， 它為用戶提供一個命令行接口，通過該接口能使用vivi提供的一些命令集。
　　
vivi運行過程分析

vivi作為一種Bootloader，其運行過程分成兩個階段。第一階段的代碼vivi/arch/s3c2410/head.s中定義，大小不超過10 KB，它包括從系統上電后在0x00000000地址開始執(zhí)行的部分。這部分代碼運行在Flash中，它包括對S3C2410的一些寄存器、時鐘等的初始化并跳轉到第二階段執(zhí)行。第二階段的代碼在viviinitmain.c中，主要進行一些開發(fā)板初始化、內存映射和內存管理單元初始化等工作，最后會跳轉到boot_or_vivi()函數中，接收命令并進行處理。需要注意的是在Flash中執(zhí)行完內存映射后，會將vivi代碼拷貝到SDRAM中執(zhí)行。如圖1所示，給出了vivi的詳細的運行過程。

大多數Bootloader都分為stage1和stage2兩部分，stage2 的代碼通常用 C 語言來實現，以便于實現更復雜的功能并取得更好的代碼可讀性和可移植性。但是與普通C語言應用程序不同的是，在編譯和鏈接Bootloader 程序時，不能使用glibc庫中的函數。因此，從那里跳轉進main()函數，而把main()函數的起始地址作為整個stage2執(zhí)行映像的入口點也存在兩個缺點：無法通過main()函數傳遞函數參數且無法處理main()函數返回的情況。

一種較為巧妙的方法是利用彈簧床的概念，也就是用匯編語言寫一段trampoline 小程序，并將這段程序作為stage2可執(zhí)行映象的執(zhí)行入口點，然后在trampoline匯編小程序中用CPU跳轉指令跳入main()函數中去執(zhí)行。當main()函數返回時，CPU執(zhí)行路徑再次回到trampoline程序。簡而言之，這種方法的思想就是：用這段 trampoline小程序來作為main()函數的外部包裹。

vivi中的trampoline程序如下：
@ get read to call C functions     
  ldr sp, DW_STACK_START @ setup stack pointer
  mov fp, #0   @ no previous frame, so fp=0
  mov a2, #0   @ set argv to NULL
  bl main   @ call main
  mov pc, #FLASH_BASE  @ otherwise, reboot；
正常情況下，程序能夠正常執(zhí)行完畢，但是如果出錯了，就回到最后一條語句重新啟動系統。

圖1　vivi運行過程
　　
vivi的移植

為了使移植工作更加快捷，本文選擇vivi-20030929版本。它不僅提供對ARM-920T內核的支持，而且直接提供了對于S3C2410x的板級支持，這使移植工作量相對減少。

vivi中與軟件相關的修改

vivi作為Linux系統的啟動代碼，在編譯配置時需要用到函數庫，包括交叉編譯器庫和頭文件，交叉編譯開關選項設置，還包括Linux內核代碼中的庫和頭文件，所以，通常需要修改vivi工程管理文件Makefile。

vivi中與硬件相關的初始化

與具體運行在哪一個處理器平臺上相關的文件都存放在vivi/arch/目錄下，本系統使用S3C2410x處理器，對應的目錄為s3c2410。

其中head.s文件是vivi啟動配置代碼，加電復位運行的代碼就是從這里開始的。由于該文件中對處理器的配置均通過調用外部定義常數或宏來實現，所以針對不同的平臺，只要是S3C2410x處理器，幾乎不用修改，只要修改外部定義的初始值即可。這部分初始值都在vivi/include/platform/smdk2410.h文件中定義，包括處理器時鐘、存儲器初始化、通用I/O口初始化以及vivi初始配置等。

對不同Flash啟動的修改

vivi能從Nor Flash或Nand Flash啟動，因此啟動程序以及Linux內核及根文件系統，甚至還包括圖形用戶界面等就需要存放在Nor Flash或Nand Flash中。這樣，作為啟動程序的vivi還需要根據實際情況來修改存放這些代碼的分區(qū)。本系統采用64MB Nand Flash、2MB Nor Falsh，需要由vivi進行分區(qū)才能運行Linux。分區(qū)指定的偏移地址就是代碼應該存放并執(zhí)行的地址。

內核啟動參數設置

經過修改后，S3C2410x開發(fā)板能從Nand Flash中啟動運行Linux，也能從Nor Flash中啟動，所以相應地也要修改啟動命令，如下所示：

#ifdef CONFIG_S3C2410_N AND_BOOT
char Linux_cmd[] = "noinitrd root=/dev/bon/2 init=/Linuxrc console=tty0 console=ttyS0 ";
#else
char Linux_cmd[] = "noinitrd root=/dev/mtdblock/3 init=/Linuxrc console=tty0 console=ttyS0";
#endif

修改并實現Flash驅動

移植vivi的最后一步是實現Flash驅動，開發(fā)者需要根據自己系統中具體Flash芯片的型號及配置，修改驅動程序，使Flash設備能夠在嵌入式系統中正常工作。如果使用的是驅動尚未支持的Flash芯片，只需仿照其他型號，將Flash型號加入該驅動程序即可。

修改Flash驅動的關鍵一步是對flash. c文件的修改。flash. c是讀、寫和刪除Flash 設備的源代碼文件。 由于不同開發(fā)板中Flash 存儲器的種類各不相同，所以修改flash. c 時需參考相應的Flash 芯片手冊。它包括如下幾個函數：

unsigned long flash - init(void )，Flash 初始化；
void flash - print - info(flash - info - t *info)，打印Flash信息；
int flash - erase(flash - info - t*info，ints - first，ints -last)，Flash 擦除；
volatile static int write-hword(flash - info - t*info，ulongdest，ulong data)，Flash 寫入；
int write - buff(flash - info - t *info，uchar *src，ulongaddr，ulong cnt)，從內存復制數據。

當做好上述的移植工作后，就能對vivi進行編譯了。在編譯vivi之前，需要根據開發(fā)板進行適當的配置。保存并退出后，執(zhí)行“make”命令開始編譯。把編譯好的vivi燒到Nor Flash中，加電重啟開發(fā)板就能運行vivi了。
    
結語

Bootloader是操作系統和硬件的樞紐，相對于操作系統內核來說，它是一個硬件抽象層。它負責初始化硬件，引導操作系統內核，檢測各種參數給操作系統內核使用。一個功能完備的大型Bootloader的工作量，相當于一個小型的操作系統。在嵌入式領域中，操作系統移植的關鍵在于Bootloader的移植和操作系統內核硬件相關部分的移植。嵌入式Linux操作系統作為開發(fā)嵌入式產品的首選，為其選擇一款合適的Bootloader能節(jié)省開發(fā)時間和資金，本文對于使用vivi啟動Linux內核具有較好的參考價值。■

參考文獻：

1 SUMSUNG.Linux for EduKit-II 2410x.pdf
2 http://www.mizi.com.vivi源代碼包
3 王靜,劉夏偉.基于Linux的嵌入式系統的啟動設計.電子科技, 2004.6
4 王俊卿,劉慶文,楊揚.NIOS軟核處理器的Linux引導程序U-boot設計.單片機及嵌入式系統應用,2004.12
5 宋國軍,張侃諭,林學龍.嵌入式系統中U-Boot基本特點及其移植方法.單片機及嵌入式系統應用. 2004.10
6 張曉林,崔迎煒等.嵌入式系統設計與實踐. 北京:北京航空航天大學出版社,2006