在操作系統(tǒng)啟動(dòng)前，要先運(yùn)行一段程序.這段程序就是BootLoader，即啟動(dòng)裝載程序，它相當(dāng)于PC機(jī)上的BIOS。通過這段程序，可以實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備的初始化，建立內(nèi)存卒問映射等一系列初始化工作，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境初始化為一個(gè)合適的狀態(tài).以便為裝載操作系統(tǒng)作好準(zhǔn)備。在系統(tǒng)加電或復(fù)位后，CPU通常都是從一個(gè)預(yù)先定義的地址上取指令，而在嵌入式系統(tǒng)中，通常將某種類型的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備(如ROM、FIash等)映射到此地址處。通過燒寫工具把BootLoader的映像燒寫到這種固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上，在系統(tǒng)加電或復(fù)位后CPU就可以從這種固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上取指令執(zhí)行BootLoader以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)。由于在ROM及Flash等存儲(chǔ)設(shè)備中程序的執(zhí)行速度與效率不及程序在RAM中的執(zhí)行速度與效率，因此在嵌入式程序設(shè)計(jì)中，通常都會(huì)有程序拷貝的操作。所謂程序拷貝，就是在程序運(yùn)行過程中，通過軟件的方法將周化在ROM或Flash中的程序拷貝到RAM中，然后再跳轉(zhuǎn)到RAM相應(yīng)地址繼續(xù)執(zhí)行程序。
1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)及VIVI簡(jiǎn)介
本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的處理器采用的是SamSung公司的S3C2410.它是基于ARM920T內(nèi)核的處理器，片外存儲(chǔ)器采用了64MB的SDRAM、32MB的Nand Flash、2MB的Nor Flash及4KB的片上SRAM，其中SDRAM映射到基地址為Ox30000000的存儲(chǔ)空間，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持兩種方式啟動(dòng)，即Nand FIash啟動(dòng)和Nor Flash啟動(dòng)，這兩種啟動(dòng)方式以跳線方式進(jìn)行選擇。
VIVI是由韓國(guó)Mizi公司開發(fā)的一種針對(duì)ARM9的BootLoader，支持S3C2410。與其它的Boot loader相比，它具有容易理解，易于移植等優(yōu)點(diǎn)。它有兩種工作模式：?jiǎn)?dòng)加載模式和下載模式。它的啟動(dòng)分為兩個(gè)階段，Stage1階段和Stage2階段。Stage1主要用匯編語言編寫，主要進(jìn)行與CPU核有關(guān)的一些寄存器的配置以及進(jìn)行一些必要的初始化工作，這部分代碼與具體的CPU體系結(jié)構(gòu)依賴性很大。Stage2用一般的C語言編寫，用來實(shí)現(xiàn)一些初始化工作，如建立內(nèi)存映射，初始化驅(qū)動(dòng)等，這部分代碼會(huì)被拷貝到RAM中執(zhí)行。本文要研究和論述的主要在Stage1階段。
2 Nand Flash啟動(dòng)過程分析
Nand Flash使用I/O口串行地存取數(shù)據(jù)，它不映射到存儲(chǔ)空間中任何一個(gè)BANK區(qū)域上.對(duì)Nand Flash的瀆寫操作通過串行數(shù)據(jù)總線進(jìn)行傳輸。Nand Flash以頁(page)為單位進(jìn)行讀寫，以塊(block)為單位進(jìn)行擦除，本文用到的Nand Flash頁(page)大小為(512+16)Byte，塊(block)大小等于32個(gè)頁的大小。每頁的最后16Byte不用于存儲(chǔ)程序數(shù)據(jù)，它主要用于存儲(chǔ)ECC校驗(yàn)、標(biāo)志位等信息。對(duì)Nand Flash的操作主要是通過向Nand F1ash控制器發(fā)送命令來進(jìn)行的，對(duì)不同型號(hào)的Nand Flash，其命令有所不同。由于Nand Flash以塊(block)為單位進(jìn)行擦除，以頁為單位進(jìn)行寫入，所以擦除與寫入的速度都很快。
由于Nand Flash不能芯片內(nèi)執(zhí)行，S3C2410必須提供一種機(jī)制支持從Nand Flash啟動(dòng)。S3C2410提供了這樣一種機(jī)制，當(dāng)設(shè)置為Nand flash啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)加電或復(fù)位后，使能Nand Flash控制器的自動(dòng)啟動(dòng)模式，Nand Flash中的前4KB代碼自動(dòng)地被拷貝到位于CPU內(nèi)部的稱為Steppingstone的SRAM中，這是啟動(dòng)代碼的第一次拷貝，這次拷貝由硬件自動(dòng)完成.然后這塊SRAM被映射到存儲(chǔ)空間中的0x00000000處，CPU從這個(gè)地址處開始執(zhí)行啟動(dòng)代碼。
由于CPU內(nèi)部的SRAM僅有4KB，不能保證整個(gè)VIVI都被從Nand Flash中拷貝到CPU內(nèi)部的SRAM中，所以這前4KB的代碼要保證完成把整個(gè)VIVI從Nand Flash拷貝到執(zhí)行效率更高的RAM中運(yùn)行以及程序的跳轉(zhuǎn)任務(wù)，此時(shí)從Nand Flash到SDARM的拷貝過程就是所謂的軟件拷貝。
3 程序拷貝過程分析
3.1 VIVI的編譯與鏈接
編澤器對(duì)程序的處理要經(jīng)過預(yù)編譯階段、編譯階段、匯編階段及鏈接階段，每個(gè)目標(biāo)文件都有一系列段(section)，輸入文件的段(section)稱為輸入段(input section).輸出文件的段(section) 則稱為輸出段(output section)。在VIVI的鏈接過程中，用到了一個(gè)鏈接腳本文件，它描述了各個(gè)輸入文件的各個(gè)段(section)如何映射到輸出文件的各個(gè)(section)中，并控制輸出文件中secrion和符號(hào)的內(nèi)存布局，此內(nèi)存布局決定了VlVI的運(yùn)行時(shí)域。在此階段，鏈接器LD利用鏈接腳本把各種目標(biāo)文件和庫(kù)文件鏈接起來，并重定向它們的數(shù)據(jù)，完成符號(hào)解析，最后把所有的目標(biāo)文件鏈接成為一個(gè)可執(zhí)行的目標(biāo)文件，即為可燒寫到Flash中的VIVI映像。針對(duì)本系統(tǒng)開發(fā)板的VIVI鏈接腳本對(duì)原鏈腳本進(jìn)行了改進(jìn)，添加了第<6>行，下文的論述會(huì)用到此處的變量vivi end。
<1>SECTIONS{
<2>.=0x33f00000;
<3>.text ：{ * (.text)}
<4>.data ALlGN(4) ：{ * (.data)}
<5>.bss ALIGN(4)：{ * (.bss) * (COMMON)}
<6>vivi_end=.：
<7>}
其中：SECTIONS表示段。第<2>行表示當(dāng)前地址為0x33f00000，它是text段的起始地址，也是運(yùn)行時(shí)域的起始地址。第<3>行用了通配符*表示所有字符，這里的意思就是說指定的每個(gè)目標(biāo)文件的text section的內(nèi)容都放到同一個(gè).text中。第<4>行表示指定的每個(gè)目標(biāo)文件的data section的內(nèi)容都放到問一個(gè).data中，而且要四字節(jié)對(duì)齊。每<5>行表示指定的每個(gè)目標(biāo)文件的bss section的內(nèi)容都放到同一個(gè).bss中，所有的普通符號(hào)都放到COMMON中，也要四字節(jié)對(duì)齊。第<6>行是把當(dāng)前地址賦值給變量vivi_end，它也是運(yùn)行時(shí)域的末地址。
3.2 程序拷貝的改進(jìn)
在嵌入式系統(tǒng)中，映像文件都是存儲(chǔ)在Flash存儲(chǔ)器等一些非易失性器件中的，而在運(yùn)行時(shí)，映像文件中的RW段必須重新裝載到可瀆寫的RAM中。這就涉及到映像文件的加載時(shí)域和運(yùn)行時(shí)域：加載時(shí)域就是指映像文件燒入nash中的狀態(tài)，也就是映像文件運(yùn)行之前的地址;運(yùn)行時(shí)域是指映像文件執(zhí)行時(shí)的狀態(tài)，針對(duì)本文提到的Nand Flash啟動(dòng)方式可以這么理解加載時(shí)域與運(yùn)行時(shí)域：加載時(shí)域的起始地址從(映射后的內(nèi)部SRAM處)0x00000000開始，運(yùn)行時(shí)域的地址從0x33f00000開始。由于加載時(shí)域與運(yùn)行時(shí)域的地址不同，從加載時(shí)域到運(yùn)行時(shí)域的轉(zhuǎn)換要由系統(tǒng)引導(dǎo)程序完成，所以VIVI必須進(jìn)行數(shù)據(jù)和代碼的拷貝及程序跳轉(zhuǎn)工作，以完成從加載時(shí)域到運(yùn)行時(shí)域的轉(zhuǎn)換。
VIVI的拷貝首先要確定拷貝的起始地址和目標(biāo)地址，還要確定要拷貝多少代碼。在此筆者對(duì)所搬運(yùn)代碼量進(jìn)行了改進(jìn)，下面是改進(jìn)前的代碼：
ldr r0，=VIVI_RAM_BASE
<2>mov rl，#Ox0
<3>mov r2，#0x20000
<4>bl nand_read_ll
其中：第<1>行：獲取VIVI在RAM中的基地址VIVI_RAM_BASE，也是運(yùn)行時(shí)域的首地址。第<2>行：獲取VIVI映像在Flash中的起始地址OxO。第<3>行：獲取拷貝的代碼量0x20000。第<4>行：跳轉(zhuǎn)到nand_read_ll函數(shù)，它是用C語言寫的拷貝函數(shù)(略)。此時(shí)寄存器rO，rl，r2是傳遞給函數(shù)nand_read_ll的三個(gè)參數(shù)。
程序這樣設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是不論VIVI映像有多大，它都會(huì)拷貝128KB的代碼量，這樣造成時(shí)間及空間的浪費(fèi)或者拷貝不完整，為此筆者對(duì)上述代碼進(jìn)行改進(jìn)：
[1]ldr r0,=VIVI_RAM_BASE
[2]ldr r2,=vivi_end
[3]sub r2,r2,r0
[4]mov r2,r2,lsr #9
[5]mov r2,r2,lsr #9
[6]add r2,r2, #0x200
[7]mov r1，#OxO
[8]bl nand_read_ll
代碼中用到了外部變量vivi_end，它是在鏈接腳本文件中定義的，是VIVI映像運(yùn)行時(shí)域的末地址，在此代碼中使用前要用如下語句進(jìn)行聲明：
.extern vivi_end
其中：第[l]、[7]、[8]行的解釋分別與未改進(jìn)前的第、<2>、<4>行。第[2]行：獲取VIVI映像運(yùn)行時(shí)域的末地址。第[3]行：獲取拷貝的真實(shí)代碼量。第[4]，[5]，[6]行：上文論述到Nand Flash是按頁進(jìn)行讀寫的，本文用到的Nand Flash每頁有(512+16)Byte，實(shí)際用于存儲(chǔ)映像文件的是每頁的前512Byte。所以需要對(duì)上述“真實(shí)代碼量”進(jìn)行調(diào)整，把它調(diào)整為整數(shù)頁大小，它的大小必須是頁對(duì)齊的。首先把它的低9位調(diào)整為0，即是把代碼量不足512Byte的部分清零，然后再加1頁(page)大小(Ox200)以保證VlVI數(shù)據(jù)的完整性，這就是第[4]，[5]，[6]行的作用。對(duì)此代碼進(jìn)行改進(jìn)后，拷貝的代碼量更接近實(shí)際的代碼量，拷貝的冗余代碼量不會(huì)達(dá)到1頁(page)的大小。對(duì)于其它類型的Nand Flash可以根據(jù)頁的大小進(jìn)行類似的改進(jìn)。
3.3 程序的跳轉(zhuǎn)
針對(duì)本文所論及的系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)加電或復(fù)位后，首先Nand Flash中的前4KB由硬件拷貝到位于0x40000000處的大小為4KB的內(nèi)部SRAM中，然后此SRAM被映射到BankO處(Ox00000000)。PC從0x00000000處取指令執(zhí)行。當(dāng)遇到B或BL等跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，它會(huì)跳到當(dāng)前地址加上一個(gè)偏移量的位置，它們屬于相對(duì)跳轉(zhuǎn)，它們的跳轉(zhuǎn)范圍是±32 MB，這使得B或BL指令不依賴于代碼的存儲(chǔ)位置，此時(shí)這些地址為加載時(shí)域的地址。在嵌入式系統(tǒng)中，還有一種實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)的方式，就是使用ldr指令，它町以實(shí)現(xiàn)程序的絕對(duì)跳轉(zhuǎn)，跳轉(zhuǎn)范圍為4G空間。
VIVI中實(shí)現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)的代碼為：
@jump to rain
ldr r1.=on_the_ram
<2>add pc, r1, #O
<3>1： b lb @ infinite loop
<4>on_the_ram：
上文提到了加載時(shí)域與運(yùn)行時(shí)域的概念，此時(shí)第<1>行獲取的on_the_ram的地址就是運(yùn)行時(shí)域的地址，此地址由上述鏈接腳本文件決定，第<2>行跳轉(zhuǎn)到SDRAM中的on_the_ram處。
為了進(jìn)一步深入說明程序的跳轉(zhuǎn)，可以利用VIVI的反匯編文件來查看上述代碼的反匯編情況。現(xiàn)分別給出此段代碼下載時(shí)域和運(yùn)行時(shí)域的存儲(chǔ)布局。
下載時(shí)域此段代碼在內(nèi)部SRAM中的存儲(chǔ)布局為：
<1>000000dc： e59f1278 ldr rl，[pc，#278];0x35c
<2>000000eO： e281f000 add pc，rl，#0
<3>000000e4： eafffffe b Oxe4
<4>000000e8：
...
<5>00000358：000055aa andeq r5，rO，r10，lsr #ll
<6>0000035c： 33f000e8 mvnccs rO.#240
運(yùn)行時(shí)域此段代碼被拷貝到SDRAM中的存儲(chǔ)布局：
[1]33fOOOdc： e59f1278 ldr r1，[pc，#278]
[2]133f000eO： e281f000 add pc，rl，#0
[3]133mooe4： eaffffffe b Oxe4
[4]33fOOOe8：
...
[5]33f00358： 000055aa andeq r5，rO，r10，lsr #11
[6]33f0035c： 33fOOOe8 mvnccs rO，#240
系統(tǒng)加電或復(fù)位從基地址0x00000000運(yùn)行到上述代碼的第<1>行時(shí)，r1獲得地址0x0000035c處的值，從第<6>行知道此地址處的值為33f000e8，運(yùn)行到第<2>行處，進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，由于此時(shí)程序映像已經(jīng)拷貝到SDRAM中，程序就跳到了運(yùn)行時(shí)域此段代碼的第[4]行處斷續(xù)執(zhí)行下面的程序，從而實(shí)現(xiàn)了程序從SRAM到SDRAM的跳轉(zhuǎn)。
4 結(jié)語
Boot Loader的設(shè)計(jì)是嵌入式系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，它為系統(tǒng)的正常啟動(dòng)完成了一系列的初始化工作，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單高效功能強(qiáng)大的Boot Loader是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要工作。
本文的創(chuàng)新點(diǎn)：深入研究和分析了VIVI如何實(shí)現(xiàn)自己拷貝以及拷貝后如何實(shí)現(xiàn)程序的跳轉(zhuǎn)，并給出了原理性和實(shí)驗(yàn)性的說明;<2>對(duì)程序進(jìn)行了改進(jìn)，主要體現(xiàn)在拷貝的代碼量上及VIVI的鏈接腳本上，使程序設(shè)計(jì)更合理。
