S3C2410 bootloader全程詳解

    網上關於Linux的bootloader文章不少了,但是大都是vivi,blob等比較龐大的程序,讀起來不太方便,編譯出的文件也比較大,而且更多的是面向開發用的引導代碼,做成產品時還要裁減,這一定程度影響了開發速度,對初學者學習開銷也比較大,在此分析一種簡單的bootloader,是在三星公司提供的S3C2410 bootloader上稍微修改後的結果,編譯出來的文件大小不超過4k,希望對大家有所幫助.

1.幾個重要的概念

COMPRESSED KERNEL and DECOMPRESSED KERNEL
壓縮后的KERNEL,按照文檔資料,現在不提倡使用DECOMPRESSED KERNEL,而要使用COMPRESSED KERNEL,它包括了解壓器.因此要在ram分配時給壓縮和解壓的KERNEL提供足夠空間,這樣它們不會相互覆蓋.

當執行指令跳轉到COMPRESSED KERNEL后,解壓器就開始工作,如果解壓器探測到解壓的代碼會覆蓋掉COMPRESSED KERNEL,那它會直接跳到COMPRESSED KERNEL后存放數據,並且重新定位KERNEL,所以如果沒有足夠空間,就會出錯.

Jffs2 File System
可以使armlinux應用中產生的數據保存在FLASH上,我的板子還沒用到這個.

RAMDISK
使用RAMDISK可以使ROOT FILE SYSTEM在沒有其他設備的情況下啟動.一般有兩種載入方式,我就介紹最常用的吧,把COMPRESSED RAMDISK IMAGE放到指定地址,然後由BOOTLOADER把這個地址通過啟動參數的方式ATAG_INITRD2傳遞給KERNEL.具體看代碼分析.

啟動參數(摘自IBM developer)
在調用內核之前，應該作一步準備工作，即：設置 Linux 內核的啟動參數。Linux 2.4.x 以後的內核都期望以標記列表(tagged list)的形式來傳遞啟動參數。啟動參數標記列表以標記 ATAG_CORE 開始，以標記 ATAG_NONE 結束。每個標記由標識被傳遞參數的 tag_header 結構以及隨後的參數值數據結構來組成。數據結構 tag 和 tag_header 定義在 Linux 內核源碼的include/asm/setup.h 頭文件中.

在嵌入式 Linux 系統中，通常需要由 BOOTLOADER 設置的常見啟動參數有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等。

(注)參數也可以用COMMANDLINE來設定,在我的BOOTLOADER里,我兩種都用了.

2.開發環境和開發板配置:

CPU:S3C2410,BANK6上有64M的SDRAM(兩塊),BANK0上有32M NOR FLASH,串口當然是逃不掉的.這樣,按照數據手冊,地址分配如下:

0x4000_0000開始是4k的片內DRAM.
0x0000_0000開始是32M FLASH 16bit寬度
0x3000_0000開始是64M SDRAM 32bit寬度
注意:控制寄存器中的BANK6和BANK7部分必須相同.

0x4000_0000(片內DRAM)存放4k以內的BOOTLOADER IMAGE
0x3000_0100開始存放啟動參數
0x3120_0000 存放COMPRESSED KERNEL IMAGE
0x3200_0000 存放COMPRESSED RAMDISK
0x3000_8000 指定為DECOMPRESSED KERNEL IMAGE ADDRESS
0x3040_0000 指定為DECOMPRESSED RAMDISK IMAGE ADDRESS

開發環境:Redhat Linux,armgcc toolchain, armlinux KERNEL

如何建立armgcc的編譯環境:建議使用toolchain,而不要自己去編譯armgcc,偶試過好多次,都以失敗告終.

先下載arm-gcc 3.3.2 toolchain

將arm-linux-gcc-3.3.2.tar.bz2 解壓到 /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設置成toolchain的路徑

還有就是INCLUDE = -I ../include -I /root/my/usr/local/arm/3.3.2/include.,否則庫函數就不能用了

3.啟動方式:
可以放在FLASH里啟動,或者用Jtag模擬器.由於使用NOR FLASH,根據2410的手冊,片內的4K DRAM在不需要設置便可以直接使用,而其他存儲器必須先初始化,比如告訴memory controller,BANK6里有兩塊SDRAM,數據寬度是32bit,= =.否則memory control會按照複位后的默認值來處理存儲器.這樣讀寫就會產生錯誤.

所以第一步,通過模擬器把執行代碼放到0x4000_0000,(在編譯的時候,設定TEXT_BAS

E=0x40000000)

第二步,通過 AxD把linux KERNEL IMAGE放到目標地址(SDRAM)中,等待調用

第三步,執行BOOTLOADER代碼,從串口得到調試數據,引導armlinux

4.代碼分析
講了那麼多執行的步驟,是想讓大家對啟動有個大概印象,接著就是bootloader內部的代碼分析了,bootloader文章內容網上很多,我這裡精簡了下,刪除了不必要的功能.

bootloader一般分為2部分,彙編部分和c語言部分,彙編部分執行簡單的硬體初始化,C部分負責複製數據,設置啟動參數,串口通信等功能.

bootloader的生命周期:

1. 初始化硬體,比如設置UART(至少設置一個),檢測存儲器= =.
2. 設置啟動參數,這是為了告訴內核硬體的信息,比如用哪個啟動界面,波特率 = =.
3. 跳轉到Linux KERNEL的首地址.
4. 消亡

當然,在引導階段,象vivi等,都用虛地址,如果你嫌煩的話,就用實地址,都一樣.

我們來看代碼:

2410init.s

.global _start//開始執行處

_start:

//下面是中斷向量
b reset @ Supervisor Mode//重新啟動后的跳轉
……
……
reset:
ldr r0,=WTCON /WTCON地址為53000000,watchdog的控制寄存器 */
ldr r1,=0x0 /*關watchdog*/
str r1,[r0]
ldr r0,=INTMSK
ldr r1,=0xffffffff /*屏蔽所有中斷*/
str r1,[r0]
ldr r0,=INTSUBMSK
ldr r1,=0x3ff /*子中斷也一樣*/
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

//以上這段,我沒動,就用三星寫的了,下面是主要要改的地方

/* MEMORY C0NTROLLER(MC)設置*/
add r0,pc,#MCDATA - (. 8)// r0指向MCDATA地址,那裡存放著MC初始化要用到的數據
ldr r1,=BWSCON // r1指向MC控制器寄存器的首地址
add r2,r0,#52 // 複製次數,偏移52字

1: //按照偏移量進行循環複製
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))

上面這行就是BWSCON的數據,具體參數意義如下:
需要更改設置DW6 和DW7都設置成10,即32bit,DW0 設置成01,即16bit
下面都是每個BANK的控制器數據,大都是時鐘相關,可以用默認值,設置完MC后,就跳到調用main函數的部分

.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 //調用main函數,函數參數都為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:

/*以上是主要的彙編部分,實現了時鐘設置,串口設置watchdog關閉,中斷關閉功能(如果有需要還可以降頻使用),然後轉入main*/

2410init.c file

int main(int argc,char **argv)
{
u32 test = 0;

void (*theKERNEL)(int zero, int arch, unsigned long params_addr) = (void (*)(int, int, unsigned long))RAM_COMPRESSED_KERNEL_BASE; //壓縮后的IMAGE地址

int i,k=0;

// downPt=(RAM_COMPRESSED_KERNEL_BASE);
chkBs=(_RAM_STARTADDRESS);//SDRAM開始的地方
// fromPt=(FLASH_LINUXKERNEL);

MMU_EnableICache();
ChangeClockDivider(1,1); // 1:2:4
ChangeMPllvalue(M_MDIV,M_PDIV,M_SDIV); //Fin=12MHz FCLK=200MHz
Port_Init();//設置I/O埠,在使用com口前,必須調用這個函數,否則通信晶元根本得不到數據
Uart_Init(PCLK, 115200);//PCLK使用默認的200000,撥特率115200

/*******************(檢查ram空間)*******************/
Uart_SendString("\n\tLinux S3C2410 Nor BOOTLOADER\n");
Uart_SendString("\n\tChecking SDRAM 2410loader.c...\n");
for(;chkBs<0x33FA0140;chkBs=chkBs 0x4,test )//
//根據我的經驗,最好以一個位元組為遞增,我們的板子,在256byte遞增檢測的時候是沒問題的,但是
//以1byte遞增就出錯了,第13跟數據線隨幾的會冒”1”,檢測出來是硬體問題,現象如下
//用模擬器下代碼測試SDRAM，開始沒貼28F128A3J FLASH片子，測試結果很好，但在上了FLASH片子//之後，測試數據（data）為0x00000400連續成批寫入讀出時，操作大約1k左右內存空間就會出錯，//而且隨機。那個出錯數據總是變為0x00002400，數據匯流排10位和13位又沒短路發生。用其他數據//測試比如0x00000200；0x00000800沒這問題。dx幫忙。
//至今沒有解決,所以我用不了Flash.

{
chkPt1 = chkBs;
*(u32 *)chkPt1 = test;//寫數據
if(*(u32 *)chkPt1==1024))//讀數據和寫入的是否一樣?
{
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();
//獲得可用memory 信息,做成列表,後面會作為啟動參數傳給KERNEL
//所謂內存映射就是指在4GB 物理地址空間中有哪些地址範圍被分配用來定址系統的 RAM 單元。
Uart_SendString("\n\tMemory Map Successful!\n");
//我用模擬器把KERNEL,RAMDISK直接放在SDRAM上,所以下面這段是不需要的,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");
for(k = 0;k < 196608;k ,downPt = 1,fromPt = 1)//3*1024*1024/32linux KERNEL des,src,length=3M
* (u32 *)downPt = * (u32 *)fromPt;

/*******************(load RAMDISK)*******************/
Uart_SendString("\t\tloading COMPRESSED RAMDISK...\n");
downPt=(RAM_COMPRESSED_RAMDISK_BASE);
fromPt=(FLASH_RAMDISK_BASE);
for(k = 0;k < 196608;k ,downPt = 1,fromPt = 1)//3*1024*1024/32linux KERNEL des,src,length=3M
* (u32 *)downPt = * (u32 *)fromPt;

/******jffs2文件系統,在開發中如果用不到FLASH,這段也可以不要********/
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();//開始設置啟動參數
setup_memory_tags();//內存印象
setup_commandline_tag("console=ttyS0,115200n8");//啟動命令行
setup_initrd2_tag();//root device
setup_RAMDISK_tag();//ramdisk image
setup_end_tag();

/*關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));

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

//啟動kernel時候,I-cache可以開也可以關,r0必須是0,r1必須是CPU型號 (可以從linux/arch/arm/tools/mach-types中找到),r2必須是參數的物理開始地址

/*******************END*******************/
error:
Uart_SendString("\n\nPanic SDRAM check error!\n");
return 0;
}

static void setup_start_tag(void)
{
params = (struct tag *)RAM_BOOT_PARAMS;//啟動參數開始的地址
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

下面這段samsung好象寫的不太對,但是我按照Normal,No parity,1 stop,8 bits算出來的確是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);
}

經過以上的折騰,接下來就是kernel的活了.能不能啟動kernel,得看你編譯kernel的水平了. 這個BOOTLOADER不象blob那樣需要交互信息,使用虛擬地址,總的來說非常簡潔明了.