自制简易BootLoader思路分析及实现

1，BootLoader功能分析：BootLoader最终要达到的目标是把Linux内核引导起来（相当于用户空间的Shell程序启动用户进程，但是Shell不仅仅具有启动用户进程的作用）

为了实现这个最终的目标，BootLoader具有以下必须的功能(以U-Boot为例)；

Step-1：

1），设置CPU；

2），关闭Watchdog；

3），设置Clock；

4），屏蔽所有的Interrupt；

5），初始化SDRAM；

6），初始化nandflash（如果u-boot代码在nandflash上）；

7）；重定位BootLoader的代码到SDRAM；

8）；设置栈（C语言函数调用需要先设置栈，栈要在SDRAM初始化之后设置）；

9），清BSS段；

10），进入BootLoader的Step-2阶段启动内核；

Step-2：

11），设置BootLoader要传递给内核的参数；

12），从Nor 或 Nand flash 上复制内核代码到SDRAM的0x30007FC0的地方（这个地址不是固定的，可以任意指定，只要不破坏u-boot使用的内存空间，u-boot会根据uImage的Header中的Load Addr判断内核是否装载到Load Addr的地址处，Load Addr在u-boot中默认为0x30007FC0，如果不在，u-boot会移动内核代码到改地址处）；

13），跳转到uImage的Header中Entry Point指定的入口地址处开始执行内核代码（内核执行后，u-boot不在执行）；

在第二阶段中还可以包括一些辅助开发的功能（不分先后次序）：
14），Nor 或者 Nand flash烧写功能；
15），USB初始化；
16），UART串口初始化；
17），网络功能初始化；

2，自制BootLoader思路：

实现上述必须功能；

以S3C2440平台为例；

硬件参数查S3C2440 Datasheet；

内存布局以及内核参数传递参考u-boot.1.1.6版本代码；

总体功能实现（start.S , init.c , boot.c , u-boot.lds , Makefile 附件会提供完整源码）：

1，第一阶段的实现：

设置CPU为管理模式;

mrs r0,cpsr
bic r0,r0,#0x1f
orr r0,r0,#0xd3
msr cpsr,r0

开启CPU的I-Cache,经测试开启之前和开启之后复制内核代码时间缩短8s;

mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0
orr r1,r1,#0x1000
mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0

关闭Watchdog;

ldr r0,=0x53000000
mov r1,#0
str r1,[r0]

屏蔽所有中断;

ldr r0,=0x4A000008
ldr r1,=0xFFFFFFFF
str r1,[r0]

ldr r1,=0x3FF
ldr r0,=0x4A00001C
str r1,[r0]

初始化时钟;

1,设置 FCLK:HCLK:PCLK=1:2:4
ldr r0,=0x4C000014
mov r1,#0x3
str r1,[r0]

2,设置总线模式为异步模式（手册中要求）;

mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0
orr r1, r1, #0xc0000000
mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0

3,设置MPLL寄存器，将12M晶振频率变为200M;

ldr r0,=0x4c000004
ldr r2,=0x0005c012
str r2,[r0]

初始化内存;

ldr r0,=SDRDATA
ldr r1,=_text_start
sub r0,r0,r1          @data address for initing sdram  start;
add r2,r0,#13*4       @data address end;
ldr r1,=0x48000000    @sdram control registers address start;

0: 循环设置内存控制器13个寄存器的值;

ldr r3,[r0],#4
str r3,[r1],#4
cmp r0,r2
bne 0b

设置栈,后面的初始化由C语言来完成所以需要设置栈;

ldr sp,=0x34000000

初始化Nand Flash控制器;

bl nand_init

重定位u-boot代码;

bl copy_to_sdram

进入u-boot第二阶段准备启动内核;

ldr lr,=halt
ldr pc,=main
@   bl main             @jump to step 2 for starting linux kernel;

halt:
bl halt

设置内存控制器寄存器时使用的值;

.align 4
SDRDATA:
.long 0x32333330
.long 0x00002a60
.long 0x00002a60
.long 0x00002a60
.long 0x00002a60
.long 0x00002a60
.long 0x00002a60
.long 0x00018001
.long 0x00018001
.long 0x008404f5
.long 0x000000b1
.long 0x00000020
.long 0x00000020

第二阶段主要介绍传递给内核的参数设置部分(参考u-boot源码中的struct tag结构体)：

参数的内存分布如图：



最重要的几个参数设置如下

/* 起始tag设置  */
static unsigned long  * setup_start_tag (unsigned long *params)
{
*params     = 0x5;                   //start tag的大小，以4字节对齐;
*(params+1) = ATAG_CORE;  //start tag的name标示;
*(params+2) = 0;
*(params+3) = 0;
*(params+4) = 0;
return (params+5);
}

/* 内存tag设置 */
static unsigned long * setup_memory_tags (unsigned long *params)
{
*params      = 4;
*(params+1)  = ATAG_MEM;
*(params+2)  = 0x4000000;   //内存空间大小;
*(params+3)  = 0x30000000; //内存起始地址;
return (params+4);
}

/* 命令行tag设置 */
static  unsigned long * setup_commandline_tag (unsigned long *params,char *commandline)
{
int len,slen=strlen(commandline);   //命令行参数长度
char *tmp;
len     = (8+slen+4)>>2;                 //命令行参数tag的总大小，4字节对齐;
*params = len;
*(params+1)     = ATAG_CMDLINE;
tmp = (char *)(params+2);
strcpy(tmp,commandline);           //将命令行参数内容放入tag内存空间;
*(tmp+slen)='\0';
return params+len;
}

/* 结束tag设置 */
static void setup_end_tag (unsigned long *params)
{
*params   = 0x0;
*(params+1) = ATAG_NONE;
}

完整源代码下载地址

start.S 第一阶段启动实现;

init.c 主要硬件初始化及相关操作实现(串口 , Nand Flash);

boot.c 从Nand Flash的Kernel分区(0x60040–不包括uImage的header部分所以0x60000需要加上64字节)中复制Kernel代码到SDRAM的0x30008000的地址处，设置传递给内核的参数，参数存放在内存的0x30000100地址处，然后启动内核;