S3C2410 bootloader(vivi)阅读笔记

嵌入式操作系统

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描述

 

  建议读一读《嵌入式系统Boot Loader技术内幕》(詹荣开著)。什么是Bootloader就不再这里废话了,看看上面的文章就明了了。

  Bootloader有很多种,如本文将要阅读的vivi,除此之外还有uboot,redboot,lilo等等。Vivi 是韩国mizi公司专门为三星s3c2410芯片设计的Bootloader。

  先来看看vivi的源码树:

  vivi-+-arch-+-s3c2410

  |-Documentation

  |-drivers-+-serial

  | ‘ -mtd-+-maps

  | |-nor

  | ‘-nand

  |-include-+-platform

  | |-mtd

  | ‘-proc

  |-init

  |-lib-+-priv_data

  |-scripts-+-lxdialog

  |-test

  |-util

  可以google一下,搜到源码vivi.tar.gz。

  前面提到的文件已经系统的分析了bootloader的,这里就按源代码来具体说事。vivi也可以分为2个阶段,阶段1的代码在arch/s3c2410/head.S中,阶段2的代码从init/main.c的main函数开始。

  阶段1

  阶段1从程序arch/s3c2410/head.S开始,按照head.S的代码执行顺序,一次完成了下面几个任务:

  关WATCH DOG (disable watch dog timer)

  上电后,WATCH DOG默认是开着的

  禁止所有中断 (disable all interrupts)

  vivi中不会用到中断,中断是系统的事,bootloader可不能去干这事的(不过这段代码实在多余,上电后中断默认是关闭的)

  初始化系统时钟(initialise system clocks)

  启动MPLL,FCLK=200MHz,HCLK=100MHz,PCLK=50MHz,“CPU bus mode”改为“Asynchronous bus mode”。

  初始化内存控制寄存器(memsetup)

  S3c2410共有15个寄存器,在此开始初始化13个寄存器。

  检查是否从掉电模式唤醒(Check if this is a wake-up from sleep)若是,则调用WakeupStart函数进行处理。

  点亮所有LED (All LED on)

  点一下灯,通知外面的同志,告诉他们有情况发生。

  初始化UART0 (set GPIO for UART & InitUART)

  a.设置GPIO,选择UART0使用的引脚

  b.初始化UART0,设置工作方式(使用FIFO)、波特率115200 8N1、无流控等。这可是使用串口与s3c2410通信的条件啊,在终端也要如此设置。

  跳到内存测试函数(simple memory test to find some DRAM flaults)

  当然要定义了CONFIG_BOOTUP_MEMTEST这个参数才会跳到内存测试。

  如果定义了以Nand flash方式启动(#ifdef CONFIG_S3C2410_NAND_BOOT),则此时要将vivi所有代码(包括阶段1和阶段2)从Nand flash复制到SDRAM中(因为在Nand flash中是不能执行程序的,它只能做为程序和数据的存储器,而Nor flash可就不同了,Nor flash可以执行程序,但贵是它发展的瓶颈):

  a.设置nand flash控制寄存器

  b.设置堆栈指针

  c.设置即将调用的函数nand_read_ll的参数:r0=目的地址(SDRAM的地址),r1=源地址(nand flash的地址),r2=复制的长度(以字节为单位)

  d.调用nand_read_ll进行复制

  跳到bootloader的阶段2运行,亦即调用init/main.c中的main函数(get read to call C functions)

  a.重新设置堆栈

  b.设置main函数的参数

  c.调用main函数

  head.S有900多行,都是些arm汇编,看的云山雾罩,汇编看来是忘的差不多了,所以这部分代码也看的相当糙,只知道大概在干什么,至于个中缘由就不是很了解。先学学arm汇编再回来看。

  阶段2

  从init/main.c中的main函数开始,终于步入C语言的世界了。Main函数总共有8步(8 steps),先看看源代码:

  int main(int argc, char *argv[])

  {

  int ret;

  /*

  * Step 1:

  */

  putstr("\r\n");

  putstr(vivi_banner); //vivi_banner是vivi执行开始的显示信息,vivi_banner在文件version.c中定义

  reset_handler();

  /*

  * Step 2:

  */

  ret = board_init();

  if (ret) {

  putstr("Failed a board_init() procedure\r\n");

  error();

  }

  /*

  * Step 3:

  */

  mem_map_init();

  mmu_init();

  putstr("Succeed memory mapping.\r\n");

  /*

  * Now, vivi is running on the ram. MMU is enabled.

  * Step 4:

  */

  /* initialize the heap area*/

  ret = heap_init();

  if (ret) {

  putstr("Failed initailizing heap region\r\n");

  error();

  }

  /* Step 5:

  * MTD

  */

  ret = mtd_dev_init();

  /* Step 6:

  */

  init_priv_data();

  /* Step 7:

  */

  misc();

  init_builtin_cmds();

  /* Step 8:

  */

  boot_or_vivi();

  return 0;

  }

  下面按照上面的步骤逐步来分析一下。

  1、Step 1:reset_handler()

  reset_handler用于将内存清零,代码在lib/reset_handle.c中。

  1 void

  2 reset_handler(void)

  3 {

  4 int pressed;

  5 pressed = is_pressed_pw_btn(); /*判断是硬件复位还是软件复位*/

  6 if (pressed == PWBT_PRESS_LEVEL) {

  7 DPRINTK("HARD RESET\r\n");

  8 hard_reset_handle(); /*调用clear_mem对SDRAM清0*/

  9 } else {

  10 DPRINTK("SOFT RESET\r\n");

  11 soft_reset_handle(); /*此函数为空*/

  12 }

  13 }

  在上电后,reset_handler调用第8行的hard_reset_handle(),此函数在lib/reset_handle.c中:

  [main(int argc, char *argv[]) -> reset_handler() -> hard_reset_handle()]

  1 static void

  2 hard_reset_handle(void)

  3 {

  4 #if 0

  5 clear_mem((unsigned long)(DRAM_BASE + VIVI_RAM_ABS_POS), \

  6 (unsigned long)(DRAM_SIZE - VIVI_RAM_ABS_POS));

  7 #endif

  /*lib/memory.c,将起始地址为USER_RAM_BASE,长度为USER_RAM_SIZE的内存清0*/

  8 clear_mem((unsigned long)USER_RAM_BASE, (unsigned long) USER_RAM_SIZE);

  9 }

  先写到这儿吧。

  2、Step 2:board_init()

  board_init调用2个函数用于初始化定时器和设置各GPIO引脚功能,代码在arch/s3c2410/smdk.c中:

  [main(int argc, char *argv[]) > board_init()]

  1 int board_init(void)

  2 {

  3 init_time(); /*arch/s3c2410/proc.c*/

  4 set_gpios(); /*arch/s3c2410/smdk.c */

  5 return 0;

  6 }

  init_time() 这个函数对寄存器进行了简单的操作:

  void init_time(void)

  {

  TCFG0 = (TCFG0_DZONE(0) | TCFG0_PRE1(15) | TCFG0_PRE0(0));

  /*s3c2410 data sheet P298*/

  /*TCFG0 = 0 | 0xf00 | 0 */

  }

  

寄存器TCFG0由三部分组成,prescaler0,prescaler1,deadzone和reserve四部分,前三部分分别对应 TCFG0_PRE0、TCFG0_PRE1、TCFG0_DZONE,TCFG0_PRE0(0)实际值为0x00,TCFG0_PRE1(15)实际值为0x0f00,而TCFG0_DZONE(0)实际值为 0x000000。实际中,vivi并未使用定时器,这个函数就可以忽略。set_gpios()用于选择GPA至GPH端口各引脚的功能及是否使用各引脚的内部上拉电阻,并设置外部中断源寄存器EXTINT0-2(vivi中未使用外部中断)。

  1 void set_gpios(void)

  2 {

  3 GPACON = vGPACON;

  4 GPBCON = vGPBCON;

  5 GPBUP = vGPBUP;

  6 GPCCON = vGPCCON;

  7 GPCUP = vGPCUP;

  8 GPDCON = vGPDCON;

  9 GPDUP = vGPDUP;

  10 GPECON = vGPECON;

  11 GPEUP = vGPEUP;

  12 GPFCON = vGPFCON;

  13 GPFUP = vGPFUP;

  14 GPGCON = vGPGCON;

  15 GPGUP = vGPGUP;

  16 GPHCON = vGPHCON;

  17 GPHUP = vGPHUP;

  18 EXTINT0 = vEXTINT0;

  19 EXTINT1 = vEXTINT1;

  20 EXTINT2 = vEXTINT2;

  21 }

  以第三行为例,vGPACON的值为0x007fffff,查找s3c2410用户手册可知,该参数将GPACON的23位全部置1。各位功能需察看s3c2410用户手册

  3、Step 3:建立页表和启动MMU

  mem_map_init();

  mmu_init();

  mem_map_init函数用于建立页表,vivi使用段式页表,只需要一级页表。它调用3个函数,代码在arch/s3c2410/mmu.c中:

  [main(int argc, char *argv[]) > mem_map_init(void)]

  1 void mem_map_init(void)

  2 {

  3 #ifdef CONFIG_S3C2410_NAND_BOOT

  /*CONFIG_S3C2410_NAND_BOOT = y ,在文件include/autoconf.h中定义*/

  4 mem_map_nand_boot();

  /* 最终调用mem_mepping_linear, 建立页表 */

  5 #else

  6 mem_map_nor();

  7 #endif

  8 cache_clean_invalidate();/* 清空cache,使无效cache */

  9 tlb_invalidate(); /* 使无效快表TLB */

  10 }

  第9、 10行的两个函数可以不用管它,他们做的事情在下面的mmu_init函数里又重复了一遍。对于本开发板,在.config中定义了 CONFIG_S3C2410_NAND_BOOT。mem_map_nand_boot()函数调用mem_mapping_linear()函数来最终完成建立页表的工作。页表存放在SDRAM物理地址0x33dfc000开始处,共16K:一个页表项4字节,共有4096个页表项;每个页表项对应 1M地址空间,共4G。mem_map_init先将4G虚拟地址映射到相同的物理地址上,NCNB(不使用cache,不使用write buffer)——这样,对寄存器的操作跟未启动MMU时是一样的;再将SDRAM对应的64M空间的页表项修改为使用cache。 mem_mapping_linear函数的代码在arch/s3c2410/mmu.c中:

  [main(int argc, char *argv[]) > mem_map_init(void) > mem_map_nand_boot( ) > mem_mapping_linear(void)]

  1 static inline void mem_mapping_linear(void)

  2 {

  3 unsigned long pageoffset, sectionNumber;

  4 putstr_hex("MMU table base address = 0x", (unsigned long)

  mmu_tlb_base);

  5 /* 4G 虚拟地址映射到相同的物理地址. not cacacheable, not bufferable */

  6 /* mmu_tlb_base = 0x33dfc000*/

  7 for (sectionNumber = 0; sectionNumber < 4096; sectionNumber++) {

  8 pageoffset = (sectionNumber << 20);

  9 *(mmu_tlb_base + (pageoffset >> 20)) = pageoffset |

  MMU_SECDESC;

  10 }

  11 /* make dram cacheable */

  12 /* SDRAM物理地址0x3000000-0x33ffffff,

  13 DRAM_BASE=0x30000000,DRAM_SIZE=64M

  14 */

  15 for (pageoffset = DRAM_BASE; pageoffset < (DRAM_BASE+DRAM_SIZE); \

  16 pageoffset += SZ_1M) {

  17 //DPRINTK(3, "Make DRAM section cacheable: 0x%08lx\n", pageoffset);

  18 *(mmu_tlb_base + (pageoffset >> 20)) = \

  pageoffset | MMU_SECDESC | MMU_CACHEABLE;

  19 }

  20 }

  mmu_init()函数用于启动MMU,它直接调用arm920_setup()函数。arm920_setup()的代码在arch/s3c2410/mmu.c中:

  [main(int argc, char *argv[]) > mmu_init( ) > arm920_setup( )]

  1 static inline void arm920_setup(void)

  2 {

  3 unsigned long ttb = MMU_TABLE_BASE;

  /* MMU_TABLE_BASE = 0x33dfc000 */

  4 __asm__(

  5 /* Invalidate caches */

  6 "mov r0, #0\n"

  7 "mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0\n" /* invalidate I,D caches on v4 */

  8 "mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4\n" /* drain write buffer on v4 */

  9 "mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0\n" /* invalidate I,D TLBs on v4 */

  10 /* Load page table pointer */

  11 "mov r4, %0\n"

  12 "mcr p15, 0, r4, c2, c0, 0\n" /* load page table pointer */

  13 /* Write domain id (cp15_r3) */

  14 "mvn r0, #0\n" /* Domains 0b01 = client, 0b11=Manager*/

  15 "mcr p15, 0, r0, c3, c0, 0\n"

  /* load domain access register,write domain 15:0, 用户手册P548(access permissions)*/

  16 /* Set control register v4 */

  17 "mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0\n" /* get control register v4 */

  /*数据手册P545:read control register */

  18 /* Clear out 'unwanted' bits (then put them in if we need them) */

  19 /* ..VI ..RS B... .CAM */ /*这些位的含义在数据手册P546*/

  20 "bic r0, r0, #0x3000\n" /* ..11 .... .... .... */

  /*I(bit[12])=0 = Instruction cache disabled*/

  21 /*V[bit[13]](Base location of exception registers)=0 = Low addresses = 0x0000 0000*/

  22 "bic r0, r0, #0x0300\n" /* .... ..11 .... .... */

  23 /*R(ROM protection bit[9])=0*/

  /*S(System protection bit[8])=0*/

  /*由于TTB中AP=0b11(line141),所以RS位不使用(P579)*/

  24 "bic r0, r0, #0x0087\n" /* 0x0000000010000111 */

  /*M(bit[0])=0 = MMU disabled*/

  /*A(bit[1])=0 =Data address alignment fault checking disable*/

  /*C(bit[2])=0 = Data cache disabled*/

  /*B(bit[7])=0= Little-endian operation*/

  25 /* Turn on what we want */

  26 /* Fault checking enabled */

  27 "orr r0, r0, #0x0002\n" /* .... .... .... ..10 */

  /*A(bit[1])=1 = Data address alignment fault checking enable*/

  28 #ifdef CONFIG_CPU_D_CACHE_ON /*is not set*/

  29 "orr r0, r0, #0x0004\n" /* .... .... .... .100 */

  /*C(bit[2])=1 = Data cache enabled*/

  30 #endif

  31 #ifdef CONFIG_CPU_I_CACHE_ON /*is not set*/

  32 "orr r0, r0, #0x1000\n" /* ...1 .... .... .... */

  /*I(bit[12])=1 = Instruction cache enabled*/

  33 #endif

  34 /* MMU enabled */

  35 "orr r0, r0, #0x0001\n" /* .... .... .... ...1 */

  /*M(bit[0])=1 = MMU enabled*/

  36 "mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0\n" /* write control register */

  /*数据手册P545*/

  37 : /* no outputs */

  38 : "r" (ttb) );

  39 }

  4、Step 4:heap_init()

  第4步调用了heap_init(void)函数,并返回值。该值是函数heap_init()调用的mmalloc_init()函数的返回值。其实,这步就是申请一块内存区域。

  [lib/heap.c->heap_init(void)]

  1 int heap_init(void)

  2 {

  3 return mmalloc_init((unsigned char *)(HEAP_BASE), HEAP_SIZE);

  4 }

  内存动态分配函数mmalloc就是从heap(堆)中划出一块空闲内存。相应的mfree函数则将动态分配的某块内存释放回heap中。

  heap_init 函数在SDRAM中指定了一块1M大小的内存作为heap(起始地址HEAP_BASE = 0x33e00000),并在heap的开头定义了一个数据结构blockhead。事实上,heap就是使用一系列的blockhead数据结构来描述和操作的。每个blockhead数据结构对应着一块heap内存,假设一个blockhead数据结构的存放位置为A,则它对应的可分配内存地址为“A + sizeof(blockhead)”到“A + sizeof(blockhead) + size - 1”。blockhead数据结构在lib/heap.c中定义:

  1 typedef struct blockhead_t {

  2 int32 signature; //固定为BLOCKHEAD_SIGNATURE

  3 bool allocated; //此区域是否已经分配出去:0-N,1-Y

  4 unsigned long size; //此区域大小

  5 struct blockhead_t *next; //链表指针

  6 struct blockhead_t *prev; //链表指针

  7 } blockhead;

  现在来看看heap是如何运作的(如果您不关心heap实现的细节,这段可以跳过)。vivi对heap的操作比较简单,vivi中有一个全局变量 static blockhead *gHeapBase,它是heap的链表头指针,通过它可以遍历所有blockhead数据结构。假设需要动态申请一块sizeA大小的内存,则 mmalloc函数从gHeapBase开始搜索blockhead数据结构,如果发现某个blockhead满足:

  (1) allocated = 0 //表示未分配

  (2) size > sizeA,则找到了合适的blockhead,

  满足上述条件后,进行如下操作:

  a.allocated设为1

  b.如果size – sizeA > sizeof(blockhead),则将剩下的内存组织成一个新的blockhead,放入链表中

  c.返回分配的内存的首地址释放内存的操作更简单,直接将要释放的内存对应的blockhead数据结构的allocated设为0即可。

  heap_init函数直接调用mmalloc_init函数进行初始化,此函数代码在lib/heap.c中,比较简单,初始化gHeapBase即可:

  [main(int argc, char *argv[]) > heap_init(void) > mmalloc_init(unsigned char *heap, unsigned long size)]

  1 static inline int mmalloc_init(unsigned char *heap, unsigned long size)

  2 {

  3 if (gHeapBase != NULL) return -1;

  4 DPRINTK("malloc_init(): initialize heap area at 0x%08lx, size = 0x%08lx\n", heap, size);

  5 gHeapBase = (blockhead *)(heap);

  6 gHeapBase->allocated=FALSE;

  7 gHeapBase->signature=BLOCKHEAD_SIGNATURE;

  8 gHeapBase->next=NULL;

  9 gHeapBase->prev=NULL;

  10 gHeapBase->size = size - sizeof(blockhead);

  11 return 0;

  12 }

  static blockhead *gHeapBase = NULL; 这个就是上面称赞的全局变量了,定义在lib/heap.c中。上面就是个链表操作,数据结构,看来搞这个也得好好学数据结构啊,不然内存搞的溢出、浪费可就哭都来不及了。

  5、Step 5:mtd_dev_init()

  所谓MTD(Memory Technology Device)相关的技术。在linux系统中,我们通常会用到不同的存储设备,特别是FLASH设备。为了在使用新的存储设备时,我们能更简便地提供它的驱动程序,在上层应用和硬件驱动的中间,抽象出MTD设备层。驱动层不必关心存储的数据格式如何,比如是FAT32、ETX2还是FFS2或其它。它仅仅提供一些简单的接口,比如读写、擦除及查询。如何组织数据,则是上层应用的事情。MTD层将驱动层提供的函数封装起来,向上层提供统一的接口。这样,上层即可专注于文件系统的实现,而不必关心存储设备的具体操作。这段乱七八糟的话也许比较让人晕,也可以这样理解在设备驱动(此处指存储设备)和上层应用之间还存在着一层,共三层,这个中间层就是MTD技术的产物。通常可以将它视为驱动的一部分,叫做上层驱动,而那些实现设备的读、写操作的驱动称为下层驱动,上层驱动将下层驱动封装,并且留给其上层应用一些更加容易简单的接口。

  在我们即将看到的代码中,使用mtd_info数据结构表示一个MTD 设备,使用nand_chip数据结构表示一个nand flash芯片。在mtd_info结构中,对nand_flash结构作了封装,向上层提供统一的接口。比如,它根据nand_flash提供的 read_data(读一个字节)、read_addr(发送要读的扇区的地址)等函数,构造了一个通用的读函数read,将此函数的指针作为自己的一个成员。而上层要读写flash时,执行mtd_info中的read、write函数即可。

  mtd_dev_init()用来扫描所使用的 NAND Flash的型号,构造MTD设备,即构造一个mtd_info的数据结构。对于S3C2410来说,它直接调用mtd_init(),mtd_init 又调用smc_init(),此函数在drivers/mtd/maps/s3c2410_flash.c中:

  [main(int argc,char *argv[])>mtd_dev_init()>mtd_init()]

  1 int mtd_init(void)

  2 {

  3 int ret;

  4 #ifdef CONFIG_MTD_CFI /*is not set*/

  5 ret = cfi_init();

  6 #endif

  7 #ifdef CONFIG_MTD_SMC9 /* =y */

  8 ret = smc_init();

  9 #endif

  10 #ifdef CONFIG_S3C2410_AMD_BOOT /*is not set*/

  11 ret = amd_init();

  12 #endif

  13 if (ret) {

  14 mymtd = NULL;

  15 return ret;

  16 }

  17 return 0;

  18 }

  显而易见,该函数应取第二项,这项在autoconf.h中定义了。

  [main(int argc, char *argv[]) > mtd_dev_init() > mtd_init() > smc_init()]

  1 static int

  2 smc_init(void)

  3 {

  /*struct mtd_info *mymtd,数据类型在include/mtd/mtd.h*/

  /*strcut nand_chip在include/mtd/nand.h中定义*/

  4 struct nand_chip *this;

  5 u_int16_t nfconf;

  /* Allocate memory for MTD device structure and private data */

  6 mymtd = mmalloc(sizeof(struct mtd_info) + sizeof(struct nand_chip));

  7 if (!mymtd) {

  8 printk("Unable to allocate S3C2410 NAND MTD device structure.\n");

  9 return -ENOMEM;

  10 }

  /* Get pointer to private data */

  11 this = (struct nand_chip *)(&mymtd[1]);

  /* Initialize structures */

  12 memset((char *)mymtd, 0, sizeof(struct mtd_info));

  13 memset((char *)this, 0, sizeof(struct nand_chip));

  /* Link the private data with the MTD structure */

  14 mymtd->priv = this;

  /* set NAND Flash controller */

  15 nfconf = NFCONF;

  /* NAND Flash controller enable */

  16 nfconf |= NFCONF_FCTRL_EN;

  /* Set flash memory timing */

  17 nfconf &= ~NFCONF_TWRPH1; /* 0x0 */

  18 nfconf |= NFCONF_TWRPH0_3; /* 0x3 */

  19 nfconf &= ~NFCONF_TACLS; /* 0x0 */

  20 NFCONF = nfconf;

  /* Set address of NAND IO lines */

  21 this->hwcontrol = smc_hwcontrol;

  22 this->write_cmd = write_cmd;

  23 this->write_addr = write_addr;

  24 this->read_data = read_data;

  25 this->write_data = write_data;

  26 this->wait_for_ready = wait_for_ready;

  /* Chip Enable -> RESET -> Wait for Ready -> Chip Disable */

  27 this->hwcontrol(NAND_CTL_SETNCE);

  28 this->write_cmd(NAND_CMD_RESET);

  29 this->wait_for_ready();

  30 this->hwcontrol(NAND_CTL_CLRNCE);

  31 smc_insert(this);

  32 return 0;

  33 }

  6 -14行构造了一个mtd_info结构和nand_flash结构,前者对应MTD设备,后者对应nand flash芯片(如果您用的是其他类型的存储器件,比如nor flash,这里的nand_flash结构应该换为其他类型的数据结构)。MTD设备是具体存储器件的抽象,那么在这些代码中这种关系如何体现呢——第 14行的代码把两者连结在一起了。事实上,mtd_info结构中各成员的实现(比如read、write函数),正是由priv变量所指向的 nand_flash的各类操作函数(比如read_addr、read_data等)来实现的。

  15-20行是初始化S3C2410上的 NAND FLASH控制器。前面分配的nand_flash结构还是空的,现在当然就是填满它的各类成员了,这正是21-26行做的事情。27-30行对这块 nand flash作了一下复位操作。最后,也是最复杂的部分,根据刚才填充的nand_flash结构,构造mtd_info结构,这由31行的 smc_insert函数调用smc_scan完成。

  这才是VIVI启动的第5步,还有三步就完成了启动了,同时我的这篇阅读笔记也就OVER了。

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