基于Nand Flash的VIVI装载器的分析与改进 - 单片机/处理器 -

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<strong>引言</strong>

在操作系统启动前，要先运行一段程序．这段程序就是BootLoader，即启动装载程序，它相当于PC机上的BIOS。通过这段程序，可以实现硬件设备的初始化，建立内存卒问映射等一系列初始化工作，从而将系统的软硬件环境初始化为一个合适的状态．以便为装载操作系统作好准备。在系统加电或复位后，CPU通常都是从一个预先定义的地址上取指令，而在嵌入式系统中，通常将某种类型的固态存储设备(如ROM、FIash等)映射到此地址处。通过烧写工具把BootLoader的映像烧写到这种固态存储设备上，在系统加电或复位后CPU就可以从这种固态存储设备上取指令执行BootLoader以实现系统的启动。由于在ROM及Flash等存储设备中程序的执行速度与效率不及程序在RAM中的执行速度与效率，因此在嵌入式程序设计中，通常都会有程序拷贝的操作。所谓程序拷贝，就是在程序运行过程中，通过软件的方法将周化在ROM或Flash中的程序拷贝到RAM中，然后再跳转到RAM相应地址继续执行程序。

<strong>1 系统硬件平台及VIVI简介</strong>

本实验平台的处理器采用的是SamSung公司的S3C2410．它是基于ARM920T内核的处理器，片外存储器采用了64MB的SDRAM、32MB的Nand Flash、2MB的Nor Flash及4KB的片上SRAM，其中SDRAM映射到基地址为Ox30000000的存储空间，本实验平台支持两种方式启动，即Nand FIash启动和Nor Flash启动，这两种启动方式以跳线方式进行选择。

VIVI是由韩国Mizi公司开发的一种针对ARM9的BootLoader，支持S3C2410。与其它的Boot loader相比，它具有容易理解，易于移植等优点。它有两种工作模式：启动加载模式和下载模式。它的启动分为两个阶段，Stage1阶段和Stage2阶段。Stage1主要用汇编语言编写，主要进行与CPU核有关的一些寄存器的配置以及进行一些必要的初始化工作，这部分代码与具体的CPU体系结构依赖性很大。Stage2用一般的C语言编写，用来实现一些初始化工作，如建立内存映射，初始化驱动等，这部分代码会被拷贝到RAM中执行。本文要研究和论述的主要在Stage1阶段。

<strong>2 Nand Flash启动过程分析</strong>

Nand Flash使用I/O口串行地存取数据，它不映射到存储空间中任何一个BANK区域上．对Nand Flash的渎写操作通过串行数据总线进行传输。Nand Flash以页(page)为单位进行读写，以块(block)为单位进行擦除，本文用到的Nand Flash页(page)大小为(512+16)Byte，块(block)大小等于32个页的大小。每页的最后16Byte不用于存储程序数据，它主要用于存储ECC校验、标志位等信息。对Nand Flash的操作主要是通过向Nand F1ash控制器发送命令来进行的，对不同型号的Nand Flash，其命令有所不同。由于Nand Flash以块(block)为单位进行擦除，以页为单位进行写入，所以擦除与写入的速度都很快。

由于Nand Flash不能芯片内执行，S3C2410必须提供一种机制支持从Nand Flash启动。S3C2410提供了这样一种机制，当设置为Nand flash启动时，系统加电或复位后，使能Nand Flash控制器的自动启动模式，Nand Flash中的前4KB代码自动地被拷贝到位于CPU内部的称为Steppingstone的SRAM中，这是启动代码的第一次拷贝，这次拷贝由硬件自动完成．然后这块SRAM被映射到存储空间中的0x00000000处，CPU从这个地址处开始执行启动代码。

由于CPU内部的SRAM仅有4KB，不能保证整个VIVI都被从Nand Flash中拷贝到CPU内部的SRAM中，所以这前4KB的代码要保证完成把整个VIVI从Nand Flash拷贝到执行效率更高的RAM中运行以及程序的跳转任务，此时从Nand Flash到SDARM的拷贝过程就是所谓的软件拷贝。

<strong>3 程序拷贝过程分析</strong>

3．1 VIVI的编译与链接

编泽器对程序的处理要经过预编译阶段、编译阶段、汇编阶段及链接阶段，每个目标文件都有一系列段(section)，输入文件的段(section)称为输入段(input section)．输出文件的段(section) 则称为输出段(output section)。在VIVI的链接过程中，用到了一个链接脚本文件，它描述了各个输入文件的各个段(section)如何映射到输出文件的各个(section)中，并控制输出文件中secrion和符号的内存布局，此内存布局决定了VlVI的运行时域。在此阶段，链接器LD利用链接脚本把各种目标文件和库文件链接起来，并重定向它们的数据，完成符号解析，最后把所有的目标文件链接成为一个可执行的目标文件，即为可烧写到Flash中的VIVI映像。针对本系统开发板的VIVI链接脚本对原链脚本进行了改进，添加了第<6>行，下文的论述会用到此处的变量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>行表示当前地址为0x33f00000，它是text段的起始地址，也是运行时域的起始地址。第<3>行用了通配符*表示所有字符，这里的意思就是说指定的每个目标文件的text section的内容都放到同一个．text中。第<4>行表示指定的每个目标文件的data section的内容都放到问一个.data中，而且要四字节对齐。每<5>行表示指定的每个目标文件的bss section的内容都放到同一个．bss中，所有的普通符号都放到COMMON中，也要四字节对齐。第<6>行是把当前地址赋值给变量vivi_end，它也是运行时域的末地址。

3．2 程序拷贝的改进

在嵌入式系统中，映像文件都是存储在Flash存储器等一些非易失性器件中的，而在运行时，映像文件中的RW段必须重新装载到可渎写的RAM中。这就涉及到映像文件的加载时域和运行时域：加载时域就是指映像文件烧入nash中的状态，
也就是映像文件运行之前的地址；运行时域是指映像文件执行时的状态，针对本文提到的Nand Flash启动方式可以这么理解加载时域与运行时域：加载时域的起始地址从(映射后的内部SRAM处)0x00000000开始，运行时域的地址从0x33f00000开始。由于加载时域与运行时域的地址不同，从加载时域到运行时域的转换要由系统引导程序完成，所以VIVI必须进行数据和代码的拷贝及程序跳转工作，以完成从加载时域到运行时域的转换。

VIVI的拷贝首先要确定拷贝的起始地址和目标地址，还要确定要拷贝多少代码。在此笔者对所搬运代码量进行了改进，下面是改进前的代码：

<l>ldr r0，=VIVI_RAM_BASE
<2>mov rl，#Ox0
<3>mov r2，#0x20000
<4>bl nand_read_ll

其中：第<1>行：获取VIVI在RAM中的基地址VIVI_RAM_BASE，也是运行时域的首地址。第<2>行：获取VIVI映像在Flash中的起始地址OxO。第<3>行：获取拷贝的代码量0x20000。第<4>行：跳转到nand_read_ll函数，它是用C语言写的拷贝函数(略)。此时寄存器rO，rl，r2是传递给函数nand_read_ll的三个参数。

程序这样设计的缺点是不论VIVI映像有多大，它都会拷贝128KB的代码量，这样造成时间及空间的浪费或者拷贝不完整，为此笔者对上述代码进行改进：

[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

代码中用到了外部变量vivi_end，它是在链接脚本文件中定义的，是VIVI映像运行时域的末地址，在此代码中使用前要用如下语句进行声明：

．extern vivi_end

其中：第[l]、[7]、[8]行的解释分别与未改进前的第<l>、<2>、<4>行。第[2]行：获取VIVI映像运行时域的末地址。第[3]行：获取拷贝的真实代码量。第[4]，[5]，[6]行：上文论述到Nand Flash是按页进行读写的，本文用到的Nand Flash每页有(512+16)Byte，实际用于存储映像文件的是每页的前512Byte。所以需要对上述“真实代码量”进行调整，把它调整为整数页大小，它的大小必须是页对齐的。首先把它的低9位调整为0，即是把代码量不足512Byte的部分清零，然后再加1页(page)大小(Ox200)以保证VlVI数据的完整性，这就是第[4]，[5]，[6]行的作用。对此代码进行改进后，拷贝的代码量更接近实际的代码量，拷贝的冗余代码量不会达到1页(page)的大小。对于其它类型的Nand Flash可以根据页的大小进行类似的改进。

3．3 程序的跳转

针对本文所论及的系统，当系统加电或复位后，首先Nand Flash中的前4KB由硬件拷贝到位于0x40000000处的大小为4KB的内部SRAM中，然后此SRAM被映射到BankO处(Ox00000000)。PC从0x00000000处取指令执行。当遇到B或BL等跳转指令时，它会跳到当前地址加上一个偏移量的位置，它们属于相对跳转，它们的跳转范围是±32 MB，这使得B或BL指令不依赖于代码的存储位置，此时这些地址为加载时域的地址。在嵌入式系统中，还有一种实现长跳转的方式，就是使用ldr指令，它町以实现程序的绝对跳转，跳转范围为4G空间。

VIVI中实现程序跳转的代码为：

@jump to rain
<l>ldr r1．=on_the_ram
<2>add pc, r1, #O
<3>1： blb@ infinite loop
<4>on_the_ram：

上文提到了加载时域与运行时域的概念，此时第<1>行获取的on_the_ram的地址就是运行时域的地址，此地址由上述链接脚本文件决定，第<2>行跳转到SDRAM中的on_the_ram处。

为了进一步深入说明程序的跳转，可以利用VIVI的反汇编文件来查看上述代码的反汇编情况。现分别给出此段代码下载时域和运行时域的存储布局。

下载时域此段代码在内部SRAM中的存储布局为：

<1>000000dc： e59f1278 ldr rl，[pc，#278]；0x35c
<2>000000eO： e281f000 add pc，rl，#0
<3>000000e4： eafffffeb Oxe4
<4>000000e8<on_the_ram>：
...
<5>00000358：000055aa andeq r5，rO，r10，lsr #ll
<6>0000035c： 33f000e8 mvnccs rO．#240

运行时域此段代码被拷贝到SDRAM中的存储布局：

[1]33fOOOdc： e59f1278 ldr r1，[pc，#278]
[2133f000eO： e281f000 add pc，rl，#0
[3] 133mooe4： eaffffffeb Oxe4
[4]33fOOOe8 <on_the_ram>：
...
[5]33f00358： 000055aa andeqr5，rO，r10，lsr #11
[6]33f0035c： 33fOOOe8 mvnccs rO，#240

系统加电或复位从基地址0x00000000运行到上述代码的第<1>行时，r1获得地址0x0000035c处的值，从第<6>行知道此地址处的值为33f000e8，运行到第<2>行处，进行跳转，由于此时程序映像已经拷贝到SDRAM中，程序就跳到了运行时域此段代码的第[4]行处断续执行下面的程序，从而实现了程序从SRAM到SDRAM的跳转。

<strong>4 结语</strong>

Boot Loader的设计是嵌入式系统中的重要环节，它为系统的正常启动完成了一系列的初始化工作，设计一个简单高效功能强大的Boot Loader是嵌入式系统设计中一项重要工作。

本文的创新点：<l>深入研究和分析了VIVI如何实现自己拷贝以及拷贝后如何实现程序的跳转，并给出了原理性和实验性的说明；<2>对程序进行了改进，主要体现在拷贝的代码量上及VIVI的链接脚本上，使程序设计更合理。

项目经济效益在10万元左右。


作者：库少平，田云芳  来源：《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第3-2期。