引导加载程序vivi 的分析和移植研究

摘  要：Bootloader是嵌入式系统软件开发的第一个环节，它将软硬件紧密地衔接在一起，对于一个嵌入式设备后续的软件开发至关重要。本文以S3C2410x处理器和嵌入式Linux为基础，对嵌入式系统中的一款Bootloader进行分析和研究。在对vivi的分析过程中，探讨了vivi在S3C2410x处理器上的移植。

关键词： Bootloader；vivi ；S3C2410x

引言

Bootloader(引导装载器)是用于初始化目标板硬件，给嵌入式操作系统提供板上硬件资源信息，并进一步装载、引导嵌入式操作系统运行的固件。在嵌入式系统开发过程中， Bootloader的编写往往是设计的主要难点。目前，Bootloader的开发通常都是基于一些开源的Bootloader(如vivi、U－Boot、Blob、ARMBoot、RedBoot等)而设计，它们在设计思路上有许多相通之处。

vivi是当前比较流行的，专门针对ARM9处理器而设计的一款Bootloader，它操作简便，同时提供了完备的命令体系。因此，对其进行分析和研究具有一定的实际意义。
　　
vivi简介

vivi是由韩国Mizi公司开发的一种Bootloader，适合于ARM9处理器，支持S3C2410x处理器，其源代码可以在网站下载。和所有的Bootloader一样，vivi有两种工作模式，即启动加载模式和下载模式。当vivi处于下载模式时， 它为用户提供一个命令行接口，通过该接口能使用vivi提供的一些命令集。
　　
vivi运行过程分析

vivi作为一种Bootloader，其运行过程分成两个阶段。第一阶段的代码vivi/arch/s3c2410/head.s中定义，大小不超过10 KB，它包括从系统上电后在0x00000000地址开始执行的部分。这部分代码运行在Flash中，它包括对S3C2410的一些寄存器、时钟等的初始化并跳转到第二阶段执行。第二阶段的代码在viviinitmain.c中，主要进行一些开发板初始化、内存映射和内存管理单元初始化等工作，最后会跳转到boot_or_vivi()函数中，接收命令并进行处理。需要注意的是在Flash中执行完内存映射后，会将vivi代码拷贝到SDRAM中执行。如图1所示，给出了vivi的详细的运行过程。

大多数Bootloader都分为stage1和stage2两部分，stage2 的代码通常用 C 语言来实现，以便于实现更复杂的功能并取得更好的代码可读性和可移植性。但是与普通C语言应用程序不同的是，在编译和链接Bootloader 程序时，不能使用glibc库中的函数。因此，从那里跳转进main()函数，而把main()函数的起始地址作为整个stage2执行映像的入口点也存在两个缺点：无法通过main()函数传递函数参数且无法处理main()函数返回的情况。

一种较为巧妙的方法是利用弹簧床的概念，也就是用汇编语言写一段trampoline 小程序，并将这段程序作为stage2可执行映象的执行入口点，然后在trampoline汇编小程序中用CPU跳转指令跳入main()函数中去执行。当main()函数返回时，CPU执行路径再次回到trampoline程序。简而言之，这种方法的思想就是：用这段 trampoline小程序来作为main()函数的外部包裹。

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；
正常情况下，程序能够正常执行完毕，但是如果出错了，就回到最后一条语句重新启动系统。

图1　vivi运行过程
　　
vivi的移植

为了使移植工作更加快捷，本文选择vivi-20030929版本。它不仅提供对ARM-920T内核的支持，而且直接提供了对于S3C2410x的板级支持，这使移植工作量相对减少。

vivi中与软件相关的修改

vivi作为Linux系统的启动代码，在编译配置时需要用到函数库，包括交叉编译器库和头文件，交叉编译开关选项设置，还包括Linux内核代码中的库和头文件，所以，通常需要修改vivi工程管理文件Makefile。

vivi中与硬件相关的初始化

与具体运行在哪一个处理器平台上相关的文件都存放在vivi/arch/目录下，本系统使用S3C2410x处理器，对应的目录为s3c2410。

其中head.s文件是vivi启动配置代码，加电复位运行的代码就是从这里开始的。由于该文件中对处理器的配置均通过调用外部定义常数或宏来实现，所以针对不同的平台，只要是S3C2410x处理器，几乎不用修改，只要修改外部定义的初始值即可。这部分初始值都在vivi/include/platform/smdk2410.h文件中定义，包括处理器时钟、存储器初始化、通用I/O口初始化以及vivi初始配置等。

对不同Flash启动的修改

vivi能从Nor Flash或Nand Flash启动，因此启动程序以及Linux内核及根文件系统，甚至还包括图形用户界面等就需要存放在Nor Flash或Nand Flash中。这样，作为启动程序的vivi还需要根据实际情况来修改存放这些代码的分区。本系统采用64MB Nand Flash、2MB Nor Falsh，需要由vivi进行分区才能运行Linux。分区指定的偏移地址就是代码应该存放并执行的地址。

内核启动参数设置

经过修改后，S3C2410x开发板能从Nand Flash中启动运行Linux，也能从Nor Flash中启动，所以相应地也要修改启动命令，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

修改并实现Flash驱动

移植vivi的最后一步是实现Flash驱动，开发者需要根据自己系统中具体Flash芯片的型号及配置，修改驱动程序，使Flash设备能够在嵌入式系统中正常工作。如果使用的是驱动尚未支持的Flash芯片，只需仿照其他型号，将Flash型号加入该驱动程序即可。

修改Flash驱动的关键一步是对flash. c文件的修改。flash. c是读、写和删除Flash 设备的源代码文件。 由于不同开发板中Flash 存储器的种类各不相同，所以修改flash. c 时需参考相应的Flash 芯片手册。它包括如下几个函数：

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 写入；
int write - buff(flash - info - t *info，uchar *src，ulongaddr，ulong cnt)，从内存复制数据。

当做好上述的移植工作后，就能对vivi进行编译了。在编译vivi之前，需要根据开发板进行适当的配置。保存并退出后，执行“make”命令开始编译。把编译好的vivi烧到Nor Flash中，加电重启开发板就能运行vivi了。
    
结语

Bootloader是操作系统和硬件的枢纽，相对于操作系统内核来说，它是一个硬件抽象层。它负责初始化硬件，引导操作系统内核，检测各种参数给操作系统内核使用。一个功能完备的大型Bootloader的工作量，相当于一个小型的操作系统。在嵌入式领域中，操作系统移植的关键在于Bootloader的移植和操作系统内核硬件相关部分的移植。嵌入式Linux操作系统作为开发嵌入式产品的首选，为其选择一款合适的Bootloader能节省开发时间和资金，本文对于使用vivi启动Linux内核具有较好的参考价值。■

参考文献：

1 SUMSUNG.Linux for EduKit-II 2410x.pdf
2 源代码包
3 王静,刘夏伟.基于Linux的嵌入式系统的启动设计.电子科技, 2004.6
4 王俊卿,刘庆文,杨扬.NIOS软核处理器的Linux引导程序U-boot设计.单片机及嵌入式系统应用,2004.12
5 宋国军,张侃谕,林学龙.嵌入式系统中U-Boot基本特点及其移植方法.单片机及嵌入式系统应用. 2004.10
6 张晓林,崔迎炜等.嵌入式系统设计与实践. 北京:北京航空航天大学出版社,2006