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嵌入式BootLoader技术内幕

作者:詹荣开 1  2  3  4  5

下面给出一个简单的 trampoline 程序示例(来自blob):
.text
可以看出,当 main() 函数返回后,我们又用一条跳转指令重新执行 trampoline 程序――当然也就重新执行 main() 函数,这也就是 trampoline(弹簧床)一词的意思所在。
3.2.1初始化本阶段要使用到的硬件设备
这通常包括:(1)初始化至少一个串口,以便和终端用户进行 I/O 输出信息;(2)初始化计时器等。在初始化这些设备之前,也可以重新把 LED 灯点亮,以表明我们已经进入 main() 函数执行。
设备初始化完成后,可以输出一些打印信息,程序名字字符串、版本号等。


3.2.2 检测系统的内存映射(memory map)
所谓内存映射就是指在整个 4GB 物理地址空间中有哪些地址范围被分配用来寻址系统的 RAM 单元。比如,在 SA-1100 CPU 中,从 0xC000,0000 开始的 512M 地址空间被用作系统的 RAM 地址空间,而在 Samsung S3C44B0X CPU 中,从 0x0c00,0000 到 0x1000,0000 之间的 64M 地址空间被用作系统的 RAM 地址空间。虽然 CPU 通常预留出一大段足够的地址空间给系统 RAM,但是在搭建具体的嵌入式系统时却不一定会实现 CPU 预留的全部 RAM 地址空间。也就是说,具体的嵌入式系统往往只把 CPU 预留的全部 RAM 地址空间中的一部分映射到 RAM 单元上,而让剩下的那部分预留 RAM 地址空间处于未使用状态。由于上述这个事实,因此 Boot Loader 的 stage2 必须在它想干点什么 (比如,将存储在 flash 上的内核映像读到 RAM 空间中) 之前检测整个系统的内存映射情况,也即它必须知道 CPU 预留的全部 RAM 地址空间中的哪些被真正映射到 RAM 地址单元,哪些是处于 "unused" 状态的。
(1) 内存映射的描述
可以用如下数据结构来描述 RAM 地址空间中的一段连续(continuous)的地址范围:

这段 RAM 地址空间中的连续地址范围可以处于两种状态之一:(1)used=1,则说明这段连续的地址范围已被实现,也即真正地被映射到 RAM 单元上。(2)used=0,则说明这段连续的地址范围并未被系统所实现,而是处于未使用状态。
基于上述 memory_area_t 数据结构,整个 CPU 预留的 RAM 地址空间可以用一个 memory_area_t 类型的数组来表示,如下所示:

(2) 内存映射的检测
下面我们给出一个可用来检测整个 RAM 地址空间内存映射情况的简单而有效的算法:
/* 数组初始化 */
for(i = 0; i < NUM_MEM_AREAS; i++)
memory_map[i].used = 0;

/* first write a 0 to all memory locations */
for(addr = MEM_START; addr < MEM_END; addr += PAGE_SIZE)
* (u32 *)addr = 0;

for(i = 0, addr = MEM_START; addr < MEM_END; addr += PAGE_SIZE) {
/*
* 检测从基地址 MEM_START+i*PAGE_SIZE 开始,大小为
* PAGE_SIZE 的地址空间是否是有效的RAM地址空间。
*/
调用3.1.2节中的算法test_mempage();
if ( current memory page isnot a valid ram page) {
/* no RAM here */
if(memory_map[i].used )
i++;
continue;
}

/*
* 当前页已经是一个被映射到 RAM 的有效地址范围
* 但是还要看看当前页是否只是 4GB 地址空间中某个地址页的别名?
*/
if(* (u32 *)addr != 0) { /* alias? */
/* 这个内存页是 4GB 地址空间中某个地址页的别名 */
if ( memory_map[i].used )
i++;
continue;
}

/*
* 当前页已经是一个被映射到 RAM 的有效地址范围
* 而且它也不是 4GB 地址空间中某个地址页的别名。
*/
if (memory_map[i].used == 0) {
memory_map[i].start = addr;
memory_map[i].size = PAGE_SIZE;
memory_map[i].used = 1;
} else {
memory_map[i].size += PAGE_SIZE;
}
} /* end of for (…) */
在用上述算法检测完系统的内存映射情况后,Boot Loader 也可以将内存映射的详细信息打印到串口。
3.2.3 加载内核映像和根文件系统映像
(1) 规划内存占用的布局
这里包括两个方面:(1)内核映像所占用的内存范围;(2)根文件系统所占用的内存范围。在规划内存占用的布局时,主要考虑基地址和映像的大小两个方面。
对于内核映像,一般将其拷贝到从(MEM_START+0x8000) 这个基地址开始的大约1MB大小的内存范围内(嵌入式 Linux 的内核一般都不操过 1MB)。为什么要把从 MEM_START 到 MEM_START+0x8000 这段 32KB 大小的内存空出来呢?这是因为 Linux 内核要在这段内存中放置一些全局数据结构,如:启动参数和内核页表等信息。
而对于根文件系统映像,则一般将其拷贝到 MEM_START+0x0010,0000 开始的地方。如果用 Ramdisk 作为根文件系统映像,则其解压后的大小一般是1MB。
(2)从 Flash 上拷贝
由于像 ARM 这样的嵌入式 CPU 通常都是在统一的内存地址空间中寻址 Flash 等固态存储设备的,因此从 Flash 上读取数据与从 RAM 单元中读取数据并没有什么不同。用一个简单的循环就可以完成从 Flash 设备上拷贝映像的工作:
while(count) {
*dest++ = *src++; /* they are all aligned with word boundary */
count -= 4; /* byte number */
};


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