引言
在操作系統(tǒng)啟動前，要先運行一段程序．這段程序就是BootLoader，即啟動裝載程序，它相當于PC機上的BIOS。通過這段程序，可以實現(xiàn)硬件設備的初始化，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)境初始化為一個合適的狀態(tài)．以便為裝載操作系統(tǒng)作好準備。在系統(tǒng)加電或復位后，CPU通常都是從一個預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)存儲設備(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)存儲設備上，在系統(tǒng)加電或復位后CPU就可以從這種固態(tài)存儲設備上取指令執(zhí)行BootLoader以實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動。由于在ROM及Flash等存儲設備中程序的執(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計中，通常都會有程序拷貝的操作。所謂程序拷貝，就是在程序運行過程中，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相應地址繼續(xù)執(zhí)行程序。
1 系統(tǒng)硬件平臺及VIVI簡介
本實驗平臺的處理器采用的是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的存儲空間，本實驗平臺支持兩種方式啟動，即Nand FIash啟動和Nor Flash啟動，這兩種啟動方式以跳線方式進行選擇。
VIVI是由韓國Mizi公司開發(fā)的一種針對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。它有兩種工作模式：啟動加載模式和下載模式。它的啟動分為兩個階段，Stage1階段和Stage2階段。Stage1主要用匯編語言編寫，主要進行與CPU核有關的一些寄存器的配置以及進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)構依賴性很大。Stage2用一般的C語言編寫，用來實現(xiàn)一些初始化工作，如建立內(nèi)存映射，初始化驅(qū)動等，這部分代碼會被拷貝到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)，它不映射到存儲空間中任何一個BANK區(qū)域上．對Nand Flash的瀆寫操作通過串行數(shù)據(jù)總線進行傳輸。Nand Flash以頁(page)為單位進行讀寫，以塊(block)為單位進行擦除，本文用到的Nand Flash頁(page)大小為(512+16)Byte，塊(block)大小等于32個頁的大小。每頁的最后16Byte不用于存儲程序數(shù)據(jù)，它主要用于存儲ECC校驗、標志位等信息。對Nand Flash的操作主要是通過向Nand F1ash控制器發(fā)送命令來進行的，對不同型號的Nand Flash，其命令有所不同。由于Nand Flash以塊(block)為單位進行擦除，以頁為單位進行寫入，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必須提供一種機制支持從Nand Flash啟動。S3C2410提供了這樣一種機制，當設置為Nand flash啟動時，系統(tǒng)加電或復位后，使能Nand Flash控制器的自動啟動模式，Nand Flash中的前4KB代碼自動地被拷貝到位于CPU內(nèi)部的稱為Steppingstone的SRAM中，這是啟動代碼的第一次拷貝，這次拷貝由硬件自動完成．然后這塊SRAM被映射到存儲空間中的0x00000000處，CPU從這個地址處開始執(zhí)行啟動代碼。
由于CPU內(nèi)部的SRAM僅有4KB，不能保證整個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VIVI從Nand Flash拷貝到執(zhí)行效率更高的RAM中運行以及程序的跳轉(zhuǎn)任務，此時從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
編澤器對程序的處理要經(jīng)過預編譯階段、編譯階段、匯編階段及鏈接階段，每個目標文件都有一系列段(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，用到了一個鏈接腳本文件，它描述了各個輸入文件的各個段(section)如何映射到輸出文件的各個(section)中，并控制輸出文件中secrion和符號的內(nèi)存布局，此內(nèi)存布局決定了VlVI的運行時域。在此階段，鏈接器LD利用鏈接腳本把各種目標文件和庫文件鏈接起來，并重定向它們的數(shù)據(jù)，完成符號解析，最后把所有的目標文件鏈接成為一個可執(zhí)行的目標文件，即為可燒寫到Flash中的VIVI映像。針對本系統(tǒng)開發(fā)板的VIVI鏈接腳本對原鏈腳本進行了改進，添加了第<6>行，下文的論述會用到此處的變量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>行表示當前地址為0x33f00000，它是text段的起始地址，也是運行時域的起始地址。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目標文件的text section的內(nèi)容都放到同一個．text中。第<4>行表示指定的每個目標文件的data section的內(nèi)容都放到問一個.data中，而且要四字節(jié)對齊。每<5>行表示指定的每個目標文件的bss section的內(nèi)容都放到同一個．bss中，所有的普通符號都放到COMMON中，也要四字節(jié)對齊。第<6>行是把當前地址賦值給變量vivi_end，它也是運行時域的末地址。
3．2 程序拷貝的改進
在嵌入式系統(tǒng)中，映像文件都是存儲在Flash存儲器等一些非易失性器件中的，而在運行時，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域和運行時域：加載時域就是指映像文件燒入nash中的狀態(tài)，也就是映像文件運行之前的地址；運行時域是指映像文件執(zhí)行時的狀態(tài)，針對本文提到的Nand Flash啟動方式可以這么理解加載時域與運行時域：加載時域的起始地址從(映射后的內(nèi)部SRAM處)0x00000000開始，運行時域的地址從0x33f00000開始。由于加載時域與運行時域的地址不同，從加載時域到運行時域的轉(zhuǎn)換要由系統(tǒng)引導程序完成，所以VIVI必須進行數(shù)據(jù)和代碼的拷貝及程序跳轉(zhuǎn)工作，以完成從加載時域到運行時域的轉(zhuǎn)換。
VIVI的拷貝首先要確定拷貝的起始地址和目標地址，還要確定要拷貝多少代碼。在此筆者對所搬運代碼量進行了改進，下面是改進前的代碼：
<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，也是運行時域的首地址。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)。此時寄存器rO，rl，r2是傳遞給函數(shù)nand_read_ll的三個參數(shù)。
程序這樣設計的缺點是不論VIVI映像有多大，它都會拷貝128KB的代碼量，這樣造成時間及空間的浪費或者拷貝不完整，為此筆者對上述代碼進行改進：
[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映像運行時域的末地址，在此代碼中使用前要用如下語句進行聲明：
．extern vivi_end
其中：第[l]、[7]、[8]行的解釋分別與未改進前的第
3．3 程序的跳轉(zhuǎn)
針對本文所論及的系統(tǒng)，當系統(tǒng)加電或復位后，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。當遇到B或BL等跳轉(zhuǎn)指令時，它會跳到當前地址加上一個偏移量的位置，它們屬于相對跳轉(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位置，此時這些地址為加載時域的地址。在嵌入式系統(tǒng)中，還有一種實現(xiàn)長跳轉(zhuǎn)的方式，就是使用ldr指令，它町以實現(xiàn)程序的絕對跳轉(zhuǎn)，跳轉(zhuǎn)范圍為4G空間。
VIVI中實現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)的代碼為：
@jump to rain
<2>add pc, r1, #O
<3>1： b lb @ infinite loop
<4>on_the_ram：
上文提到了加載時域與運行時域的概念，此時第<1>行獲取的on_the_ram的地址就是運行時域的地址，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域和運行時域的存儲布局。
下載時域此段代碼在內(nèi)部SRAM中的存儲布局為：
<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
運行時域此段代碼被拷貝到SDRAM中的存儲布局：
[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)加電或復位從基地址0x00000000運行到上述代碼的第<1>行時，r1獲得地址0x0000035c處的值，從第<6>行知道此地址處的值為33f000e8，運行到第<2>行處，進行跳轉(zhuǎn)，由于此時程序映像已經(jīng)拷貝到SDRAM中，程序就跳到了運行時域此段代碼的第[4]行處斷續(xù)執(zhí)行下面的程序，從而實現(xiàn)了程序從SRAM到SDRAM的跳轉(zhuǎn)。
4 結(jié)語
Boot Loader的設計是嵌入式系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，它為系統(tǒng)的正常啟動完成了一系列的初始化工作，設計一個簡單高效功能強大的Boot Loader是嵌入式系統(tǒng)設計中一項重要工作。
本文的創(chuàng)新點：