Nand Flash的VIVI裝載器的解析及改進(jìn)

引言

　　在操作系統(tǒng)啟動(dòng)前，要先運(yùn)行一段程序．這段程序就是BootLoader，即啟動(dòng)裝載程序，它相當(dāng)于PC機(jī)上的BIOS。通過這段程序，可以實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)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(gè)合適的狀態(tài)．以便為裝載操作系統(tǒng)作好準(zhǔn)備。在系統(tǒng)加電或復(fù)位后，CPU通常都是從一個(gè)預(yù)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(chǔ)設(shè)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(chǔ)設(shè)備上，在系統(tǒng)加電或復(fù)位后CPU就可以從這種固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上取指令執(zhí)行BootLoader以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)。由于在ROM及Flash等存儲(chǔ)設(shè)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(shè)計(jì)中，通常都會(huì)有程序拷貝的操作。所謂程序拷貝，就是在程序運(yùn)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(yīng)地址繼續(xù)執(zhí)行程序。

　　1 系統(tǒng)硬件平臺及VIVI簡介

　　本實(shí)驗(yàn)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(chǔ)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(chǔ)空間，本實(shí)驗(yàn)平臺支持兩種方式啟動(dòng)，即Nand FIash啟動(dòng)和Nor Flash啟動(dòng)，這兩種啟動(dòng)方式以跳線方式進(jìn)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(diǎn)。它有兩種工作模式：啟動(dòng)加載模式和下載模式。它的啟動(dòng)分為兩個(gè)階段，Stage1階段和Stage2階段。Stage1主要用匯編語言編寫，主要進(jìn)行與CPU核有關(guān)的一些寄存器的配置以及進(jìn)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(gòu)依賴性很大。Stage2用一般的C語言編寫，用來實(shí)現(xiàn)一些初始化工作，如建立內(nèi)存映射，初始化驅(qū)動(dòng)等，這部分代碼會(huì)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(dòng)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(chǔ)空間中任何一個(gè)BANK區(qū)域上．對Nand Flash的瀆寫操作通過串行數(shù)據(jù)總線進(jìn)行傳輸。Nand Flash以頁(page)為單位進(jìn)行讀寫，以塊(block)為單位進(jìn)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(gè)頁的大小。每頁的最后16Byte不用于存儲(chǔ)程序數(shù)據(jù)，它主要用于存儲(chǔ)ECC校驗(yàn)、標(biāo)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(jìn)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(jìn)行擦除，以頁為單位進(jìn)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(jī)制支持從Nand Flash啟動(dòng)。S3C2410提供了這樣一種機(jī)制，當(dāng)設(shè)置為Nand flash啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)加電或復(fù)位后，使能Nand Flash控制器的自動(dòng)啟動(dòng)模式，Nand Flash中的前4KB代碼自動(dòng)地被拷貝到位于CPU內(nèi)部的稱為Steppingstone的SRAM中，這是啟動(dòng)代碼的第一次拷貝，這次拷貝由硬件自動(dòng)完成．然后這塊SRAM被映射到存儲(chǔ)空間中的0x00000000處，CPU從這個(gè)地址處開始執(zhí)行啟動(dòng)代碼。

　　由于CPU內(nèi)部的SRAM僅有4KB，不能保證整個(gè)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(gè)VIVI從Nand Flash拷貝到執(zhí)行效率更高的RAM中運(yùn)行以及程序的跳轉(zhuǎn)任務(wù)，此時(shí)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(yù)編譯階段、編譯階段、匯編階段及鏈接階段，每個(gè)目標(biāo)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(gè)鏈接腳本文件，它描述了各個(gè)輸入文件的各個(gè)段(section)如何映射到輸出文件的各個(gè)(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(yùn)行時(shí)域。在此階段，鏈接器LD利用鏈接腳本把各種目標(biāo)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(biāo)文件鏈接成為一個(gè)可執(zhí)行的目標(biāo)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(jìn)行了改進(jìn)，添加了第<6>行，下文的論述會(huì)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(dāng)前地址為0x33f00000，它是text段的起始地址，也是運(yùn)行時(shí)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(gè)目標(biāo)文件的text section的內(nèi)容都放到同一個(gè)．text中。第<4>行表示指定的每個(gè)目標(biāo)文件的data section的內(nèi)容都放到問一個(gè).data中，而且要四字節(jié)對齊。每<5>行表示指定的每個(gè)目標(biāo)文件的bss section的內(nèi)容都放到同一個(gè)．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(dāng)前地址賦值給變量vivi_end，它也是運(yùn)行時(shí)域的末地址。