第一部分：基本功能流程
CPU上電後會從IO空間的某地址取第一條指令。但此時：PLL沒有啓動，CPU工作頻率爲外部輸入晶振頻率，非常低；CPU工作模式、中斷設置等不確定；存儲空間的各個BANK（包括內存）都沒有驅動，內存不能使用。在這種情況下必須在第一條指令處做一些初始化工作，這段初始化程序與操作系統獨立分開，稱之爲bootloader。
實際上，很少有必要自己寫一個Bootloader，因爲U-Boot已經強大到能夠滿足各種需要。但是強大必然複雜，一個初學者想要分析U-Boot的源代碼，還是有些難度的。出於學習的目的，我寫了這個史上最簡單的啓動加載器，它只包含最基本的功能，卻囊括了一個嵌入式Bootloader應該有的核心和精華。我把這個啓動加載器命名爲S-Boot， 是Simple Bootloader的縮寫，亦可進一步簡稱爲SB。
使用的實驗環境爲OK2440開發板，板上處理器爲S3C2440A，有64M內存，Nand存儲器爲K9F1208，64M。網口芯片爲CS8900A。我們要實現的功能是：從串口下載Linux內核映像到RAM；從網口下載Linux內核映像到RAM；從RAM啓動內核掛載NFS根文件系統。
1. 第一階段的彙編代碼：start.S
一個嵌入式Bootloader最初始部分的代碼幾乎必須是用彙編語言寫成的，因爲開發板剛上電後沒有準備好C程序運行環境，比如堆棧指針SP沒有指到正確的位置。彙編代碼應該完成最原始的硬件設備初始化，並準備好C運行環境，這樣後面的功能就可以用C語言來寫了。
對我們的S-Boot來說，上電後的起始運行代碼是 start/start.S。
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.text
.global _start
_start:
b Reset @ 0x00: 發生復位異常時從地址零處開始運行
b HandleUndef @ 0x04: 未定義指令中止模式的向量地址
b HandleSWI @ 0x08: 管理模式的向量地址，通過SWI指令進入此模式
b HandlePrefetchAbort @ 0x0C: 指令預取終止導致的異常的向量地址
b HandleDataAbort @ 0x10: 數據訪問終止導致的異常的向量地址
b HandleNotUsed @ 0x14: 保留
b HandleIRQ @ 0x18: 中斷模式的向量地址
b HandleFIQ @ 0x1C: 快中斷模式的向量地址
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這裏，彙編指示符.text表明以下內容屬於代碼段，.global _start指明_start是全局可訪問的符號（Give the symbol external linkage）。按照ARM920T的規定，從地址0x00到0x1C放置異常向量表，向量表每個條目佔四個字節，正好可以放置一條跳轉指令，跳轉到相應異常的服務程序中去。在S-Boot中沒有使用中斷，所以除Reset異常外，其它異常的服務程序都可簡單地寫個死循環。Reset異常是系統上電後自動觸發的，所以我們的代碼都寫在Reset的服務程序裏面。
實際上，異常向量表不一定非要位於地址0x00處，CP15協處理器中的c1寄存器的第13位用來控制異常向量表的起始地址。該位爲0時，異常向量表位於低地址0x00處；該位爲1時，異常向量表位於高地址 0xFFFF0000處。我們沒有必要改變這個位的值，使用默認的低地址就行了。
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Reset:
mrs r0,cpsr @set cpu to SVC32 mode
bic r0,r0,#0x1F
orr r0,r0,#0xD3
msr cpsr,r0 @cpsr=11x10011, IRQ/FIQ disabled
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代碼最初始的任務是設置CPU工作在SVC32模式，關閉所有中斷，禁用看門狗。實際上，即使不設置工作模式，CPU在復位之後將自動工作在管理模式。在整個S-Boot運行期間，我們沒有使用中斷，也沒有改變CPU工作模式，它將一直工作在SVC32模式。
MMU、ICache、DCache的打開和關閉都是由CP15協處理器的c1寄存器控制的。實際上在復位之後這三者都是自動關閉的，所以省略了關閉它們的代碼。
S3C2440A的PSR寄存器（Program Status Reguster）中每個Bit位的含義如圖1所示。Bit4~Bit0爲模式位，用來設置CPU工作模式，現在只要知道 M[4:0] = 10011 表示SVC32模式就行了。Bit5爲狀態位，T=0表示工作在ARM狀態，T=1表示工作在Thumb狀態，默認爲0，不需要改變。Bit6爲快速中斷禁止位，F=1爲禁止快速中斷，F=0爲使能快速中斷。Bit7爲中斷禁止位，I=1爲禁止中斷，F=0爲使能中斷。其它Bit位暫時可以不必理會。
mrs 和msr是在PSR寄存器和其它寄存器間傳遞數據的指令。如：mrs r0,cpsr 把cpsr的值傳送到r0中， msr cpsr,r0 把r0的值傳送到cpsr中。bic是位清零（Bit Clear）指令，bic r0,r0,#0x1F 意思是把r0的Bit[4:0]位清零（由0x1F指示），然後把結果寫入r0中。 orr是按位求或指令，orr r0,r0,#0xD3 表示把r0的 Bit7,Bit6,Bit4,Bit1,Bit0 置爲1，其它位保持不變。
執行完上述操作後，cpsr中的 I=1, F=1, T保持不變（默認爲0），M[4:0]=10011，意思是禁止IRQ，禁止FIQ，工作在ARM狀態，工作在SVC32模式。
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ldr r0, =0x53000000
mov r1, #0x0
str r1, [r0] @disable watch dog
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禁用看門狗更簡單，因爲WTCON寄存器的地址爲0x53000000，直接向該寄存器寫0即可。
到目前爲止，CPU工作在外接晶振12MHz頻率之下。使用以下代碼設置PLL，提升工作頻率。
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ldr r0, =0x4C000014 @CLKDIVN register
mov r1, #0x05 @FCLK:HCLK:PCLK = 1:4:8
str r1, [r0]
mrc p15,0,r0,c1,c0,0 @if HDIVN Not 0, must asynchronous bus mode
orr r0,r0,#0xC0000000 @see S3C2440A manual P7-9
mcr p15,0,r0,c1,c0,0
ldr r0, =0x4C000004 @MPLLCON register
ldr r1, =0x0005C011 @((92<<12)|(1<<4)|(1))
str r1, [r0] @FCLK is 400 MHz !
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最後的結果是，FCLK=400MHz，HCLK=100MHz，PCLK=50MHz。
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@ SDRAM Init
mov r1, #0x48000000 @MEM_CTL_BASE
adrl r2, mem_cfg_val
add r3, r1, #52
1:
ldr r4, [r2], #4 @ 讀取設置值，並讓r2加4
str r4, [r1], #4 @ 將此值寫入寄存器，並讓r1加4
cmp r1, r3 @ 判斷是否設置完所有13個寄存器
bne 1b @ 若沒有寫成，繼續
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設置存儲控制器。
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ldr sp, =0x32FFF000 @設置堆棧
bl nand_init @初始化NAND Flash
@nand_read_ll函數需要3個參數：
ldr r0, =0x33000000 @1. 目標地址=0x30000000，這是SDRAM的起始地址
mov r1, #0 @2. 源地址 =0，S-Boot代碼都存在NAND地址0開始處
mov r2, #102400 @3. 複製長度=102400(bytes)
bl nand_read @調用C函數nand_read
ldr lr, =halt_loop @設置返回地址
ldr pc, =main @b指令和bl指令只能前後跳轉32M的範圍，故使用向pc賦值的方法進行跳轉
halt_loop:
b halt_loop
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這裏把所有的代碼從Nand拷貝到RAM中，然後跳轉到main函數去執行。此後程序便在RAM中運行了。但是到目前爲止，前面的程序都是在SteppingStone裏運行的。所謂SteppingStone，是指在S3C2440A的內部的4KB的RAM緩存，它總是映射到地址0x00處。硬件加電後會自動將Nand Flash中的前4KB的數據拷貝到Stepping Stone中，然後從地址0x00處開始運行。
如果代碼足夠小（小於4KB）的話，那隻在SteppingStone中運行，加載Linux內核到內存即可。但通常代碼肯定會大於4KB。所以Bootloader一般分爲兩部分，Stage1的代碼在SteppingStone中運行，它會把Stage2的代碼拷貝到RAM中，並跳轉到RAM中執行；Stage2的代碼在RAM中執行，它可以完成加載內核及其它任何複雜的功能。因爲Stage2的起始位置不好確定，爲了方便，我們把所有的代碼都拷貝到RAM中了。
C 函數nand_read有三個參數，第一個參數爲目的地起始地址，第二個參數爲源起始地址，第三個參數爲要複製的數據長度，以字節爲單位。根據ATPCS 函數調用規則，三個參數分別用寄存器r0，r1，r2來傳遞。我們在內存的0x33000000處存放Bootloader，複製長度根據編譯生成的S- Boot.bin映像文件大小，向上取512字節的整數倍。
這裏先來規劃一下內存空間的分配。RAM的地址範圍是從0x30000000到0x34000000共64MByte。把S-Boot和Kernel放在高地址處，S-Boot從 0x33000000開始，預留8MByte的空間，內核從0x33800000開始，可供使用的空間也是8MByte。因棧空間是向下生長的，我們在 S-Boot下面預留4096Byte的空閒區域，然後向下爲棧空間，故棧指針SP初始化爲 0x32FFF000。其實留不留空閒區域是無所謂的，這裏只是爲了把二者更明顯地區分開。我們只設置SVC模式下的SP，不使用CPU的其它工作模式，所以也沒必要設置其它模式下的棧指針。另外，程序中不使用動態內存分配，故而也不必分配堆空間。
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2. nand讀操作
在編譯連接時，我們把上述 start.S 代碼放在生成的二進制映像文件的最開始位置，因而也被燒寫到 Nand Flash 的最起始位置，因而會被自動拷貝到 SteppingStone 裏運行。start.S 要完成的任務之一，是把S-Boot的所有代碼從Nand Flash拷貝到內存中，這裏需要對NAND的讀操作，因此對NAND的初始化和讀操作要在第一階段寫好。
以開發板上使用的K9F1208爲例，每個頁（page）爲512Byte數據和16Byte校驗，每個塊（Block）爲32個頁，即16KByte數據和512Byte校驗。
Nand Flash只用8根線與CPU的DATA0-7連接，位寬爲8位，不管是數據、地址或控制字都通過這8根線傳遞，如果讀寫數據的話每次只能傳輸一個字節數據。Nand Flash的操作通過NFCONF、NFCMD、NFADDR、NFDATA、NFSTAT和NFECC六個寄存器來完成。在S3C2440A數據手冊第218頁可以看到讀寫Nand Flash的操作時序：1. 通過NFCONF寄存器配置Nand Flash；2.寫Nand Flash命令到NFCMD寄存器；3.寫Nand Flash地址到 NFADDR寄存器；4. 在讀寫數據時，通過NFSTAT寄存器獲得Nand Flash的狀態信息。應該在讀操作前或寫操作後檢查R/nB信號（Ready/Busy信號）。
初始化NAND Flash：S3C2440的NFCONF寄存器用來設置時序參數TACLS、TWRPH0、TWRPH1，設置數據位寬；還有一些只讀位。TACLS、 TWRPH0、TWRPH1這三個參數控制的是Nand Flash信號線CLE/ALE與寫控制信號nWE的時序關係。
注意，寄存器值轉換成實際的時鐘週期值時，TACLS不需加1，而TWRPH0和TWRPH1需要加1。比如NFCONF寄存器中設置 TACLS=1，TWRPH0=3，TWRPH1=0，意思是時序圖中 TACLS=1個HCLK時鐘，TWRPH0=4個HCLK時鐘，TWRPH1=1個HCLK時鐘。
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void nand_init(void)
{
//時間參數設爲:TACLS=0 TWRPH0=3 TWRPH1=0
NFCONF = 0x300;
/* 使能NAND Flash控制器, 初始化ECC, 禁止片選 */
NFCONT = (1<<4)|(1<<1)|(1<<0);
/* 復位NAND Flash */
NFCONT &= ~(1<<1); //發出片選信號
NFCMMD = 0xFF; //復位命令
s3c2440_wait_idle();//循環查詢NFSTAT位0，直到它等於1
NFCONT |= 0x2; //取消片選信號
}
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讀操作：讀操作也是以頁（512Byte）爲單位進行的。在初始上電時，器件進入缺省的“讀方式1模式”。在這一模式下，頁讀操作通過將0x00寫入指令寄存器，接着寫入3個地址（1個列地址和2個行地址）來啓動。一旦頁讀指令被器件鎖存，下面的頁讀操作就不需要再重複寫入頁讀指令了。寫入頁讀指令和地址後，處理器可以通過對信號線R//B的分析來判斷頁讀操作是否完成。如果信號爲低電平，表示器件正忙；如果信號爲高電平，表示器件內部操作完成，要讀取的數據被送入了數據寄存器。外部控制器可以再以50ns爲週期的連續/RE脈衝信號的控制下，從IO口依次讀出數據。連續頁讀操作中，輸出的數據是從指定的列地址開始，直到該頁最後一個列地址的數據爲止。
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for(i=start_addr; i < (start_addr + size);)
{
NFCMMD = 0; //發出READ0命令
s3c2440_write_addr(i); //Write Address
s3c2440_wait_idle(); //循環查詢NFSTAT位0，直到它等於1
for(j=0; j < NAND_SECTOR_SIZE; j++, i++)
{
*buf = (unsigned char)NFDATA;
buf++;
}
}
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缺點：沒有使用ECC校驗和糾錯；沒有使用壞塊檢查；
3. main 函數
串口初始化，以便能夠向用戶輸出一些信息；網口初始化，以便能夠從主機下載內核映像；輸出一些菜單，以便用戶選擇執行所需要的功能。比如，用戶可以選擇從串口或網口下載內核映像到RAM中某個地址，然後運行這個內核。關於下載內核映像的實現，在後文會詳細介紹。這裏只看當內核映像已經存在於RAM中時，怎樣才能把這個內核啓動起來。
4. 啓動參數的傳遞
啓動Linux內核之前需要設置好一些必要的啓動參數，這些參數以TAG列表的形式傳遞給內核。所謂TAG列表，就是多個TAG在內存空間中按順序排列。每個TAG，其實都是一個結構體，每個結構體中又包含了一個頭部結構體和一個內容結構體稱。頭部結構體指明瞭本TAG的類型、佔用空間大小；所謂TAG的類型，就是一個宏定義，用一個確定的整數來識別該標記。內容結構體包含了該TAG的具體內容。
下面以具體的例子做說明。
在atag.h中就有：
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#define ATAG_CORE 0x54410001
#define ATAG_MEM 0x54410002
#define ATAG_CMDLINE 0x54410009
#define ATAG_NONE 0x00000000
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這些都是TAG的類型，注意這些整數跟地址沒有關係，只是一個用來識別標記類型的符號而已。
每個Tag都用結構體表示，包含TagHeader 頭結構體以及隨後的參數值數據結構。如 ATAG_CORE：
struct Atag {
struct TagHeader stHdr;
struct TagCore stCore;
};
其中包含兩個結構體。第一個結構體TagHeader含兩個整型變量，用以表示本結構體的長度、標記類型；nSzie賦值爲頭部TagHeader和數據TagCore的大小之和，注意是以字（即4字節）爲單位；ulTag 就賦值爲先前定義的宏ATAG_CORE。第二個結構體就是實際的數據了。
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struct TagHeader {
UINT32 nSize;
UINT32 ulTag;
};
struct TagCore {
UINT32 ulFlags;
UINT32 nPageSize;
UINT32 ulRootDev;
};
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由於每個Tag都由一個TagHeader加一個數據部分組成，因此通常的做法是使用Struct和Union相結合來定義：
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struct Atag {
struct TagHeader stHdr;
union {
struct TagCore stCore;
struct TagMem32 stMem;
struct TagVideoText stVideoText;
struct TagRamDisk stRamDisk;
struct TagInitrd stInitRd;
struct TagSerialnr stSerialNr;
struct TagRevision stRevision;
struct TagVideolfb stVideoLfb;
struct TagCmdline stCmdLine;
};
};
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其中涉及到的所有數據結構均可在 Linux 內核源碼的include/asm/setup.h 頭文件找到，我們把這些定義放在Bootloader的頭文件atag.h中。
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啓動參數標記列表以標記 ATAG_CORE 開始，以標記 ATAG_NONE 結束。每個標記由標識被傳遞參數的 tag_header 結構以及隨後的參數值數據結構來組成。數據結構 tag 和 tag_header 定義在 Linux 內核源碼的include/asm/setup.h 頭文件中，在我們的S-Boot中對應的頭文件爲 atag.h。
在嵌入式 Linux 系統中，通常需要由 Boot Loader 設置的常見啓動參數有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等。
向內核傳遞參數的方法，先在內存中某個起始地址開始，連續存放多個Tag, 組成Tag列表。列表中的每個Tag包括頭部TagHeader和數據結構體。按規定，第一個Tag必須是ATAG_CORE， 最末一個Tag必須是ATAG_NONE，而且中間必須包含至少一個ATAG_MEM。 注意的是末尾的ATAG_NONE只包括頭部，沒有數據內容。如圖所示。
在編程時先定義好起始地址，然後用一個指針，每設置完畢一個Tag的內容就向後移動相應的長度，然後設置下一個Tag內容，以保證各個Tag的連續存放。
下面具體說明幾個關鍵Tag的數據區域內容的設置。struct TagCore結構體已經在前面列出，它包含三個整型變量，ulFlags一般設爲零，nPageSize表示分頁內存管理中每一頁的大小，一般爲4096字節，ulRootDev是系統啓動的設備號，設爲零即可，因爲通常在後面的命令行參數Cmdline中覆蓋這個設置。Struct TagMem用來描述系統的物理內存地址空間，定義如下：
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struct atag_mem {
UINT32 nSize; /* size of the area */
UINT32 ulStart; /* physical start address */
};
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其中nSzie表示內存的總大小，ulStart爲內存的起始物理地址，二者結合告訴內核系統可用的物理內存空間是哪些。Struct TagCmdline結構體的定義就更簡單了，只是一個字符數組，初始長度爲1，如下所示：
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struct TagCmdline {
char cCmdLine[1]; /* this is the minimum size */
};
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實際上命令行參數不可能只有一個字節，我們通常使用strcpy函數把命令行參數拷貝到cCmdLine地址處，在結尾附加一個字符串結束符’/0’，然後用strlen函數獲得cCmdLine數組的實際長度（包括字符串結束符）。常見的命令行參數如：root=/dev/mtdblock2 init=/linuxrc console=ttySAC0,115200 mem=65536。我們知道的是，Bootloader以標記列表的形式向內核傳遞的參數，大概有10種不同類型的Tag，而命令行參數只是其中的一種。其它需要設置的Tag包括ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等，此處不再詳細介紹。
在我們的S-Boot中設置了ATAG_CORE，ATAG_MEM，ATAG_CMDLINE，ATAG_NONE 四項。其中CmdLine 使用的是：
const char *CmdLine = "root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.249:/home/hongwang/mkrootfs/rootfs ip=192.168.1.252:192.168.1.249:192.168.1.1:255.255.255.0:hwlee.net:eth0:off console=ttySAC0,115200 init=/linuxrc mem=65536K console=tty1 fbcon=rotate:2";
這裏root=/dev/nfs表示使用NFS做根文件系統，注意並不真的存在/dev/nfs這個設備，它只是一個符號而已，告訴內核使用NFS而不是使用真正的設備做根文件系統。
nfsroot=[<server-ip>:]<root-dir>[,<nfs-options>]
nfsroot=192.168.1.249:/home/hongwang/mkrootfs/rootfs是NFS服務器地址及要掛載的目錄。
ip=<client-ip>:<server-ip>:<gw-ip>:<netmask>:<hostname>:<device>:<autoconf>
ip=192.168.1.252:192.168.1.249:192.168.1.1:255.255.255.0:hwlee.net:eth0:off
只說明一下autoconf，這一個選項指明開發板使用的自動配置IP地址的方法，有時開發板可以設置成通過DHCP或者BOOTP等協議從服務器獲取IP地址。off 或 none 表示不使用自動配置，使用指定的靜態IP地址信息。
console=ttySAC0,115200 串口控制檯
console=tty1 fbcon=rotate:2 液晶屏Framebuffer控制檯，如果內核支持，可以在LCD屏幕上顯示Linux內核啓動過程，起點結束後在LCD屏幕上進入Shell控制檯供用戶操作。fbcon=rotate:2表示控制檯旋轉180度，若爲1表示旋轉90度，3旋轉270度，0不旋轉。
4. boot kernel zImage
zImage 二進制文件包含兩部分內容，起始部分是解壓縮程序，後面是壓縮的內核。解壓縮程序是最先運行的，內核中文件是：arch/arm/boot /compressed/head.S，它負責把壓縮的內核解壓到0x30008000處。因此zImage可以下載到RAM任意位置處，由解壓縮程序負責搬移到正確的運行地址。
所以 Bootloader啓動Linux內核的方法就是直接跳轉到內核的第一條指令處，也就是跳轉到內存中存放內核映像的開始地址，內核映像具有自解壓功能，會把自己釋放到正確的運行地址。Tag列表怎樣傳給內核呢？使用的方法是把Tag列表的起始地址傳給內核。首先，定義一個指向函數的指針：
typedef void (*LINUX_KERNEL_ENTRY)(int, int, UINT32);
LINUX_KERNEL_ENTRY pfExecKernel;
這樣pfExecKernel就是一個函數指針，函數具有三個整型變量。然後，讓pfExecKernel指向內核映像的起始地址處，這裏使用強制類型轉換把地址轉換成函數指針類型：
pfExecKernel = (LINUX_KERNEL_ENTRY)pKernelStartAddr;
最後，以三個參數調用pfExecKernel函數：
pfExecKernel(0, MACH_ID, ATAG_BASE);
其中第一個參數默認爲零，可以不必理會。第二個參數是機器ID號，不同的CPU有不同的號碼與之對應，可以在內核源代碼的linux/arch/arm/tools/mach-types 文件中查到，S3C2440 對應的MACH_ID 爲362。第三個參數ATAG_BASE就是上文講到的Tag列表的首地址。
這個函數調用的作用其實就是設置 r0=0，r1=機器ID，r2=TAG首地址，然後跳到arch/arm/boot/compressed/head.S文件中的第一條指令處。
既然可以把TAG首地址傳遞給內核，那麼TAG LIST就可以放在RAM中的任何位置了，只要不與其它有用內容衝突即可。但是事實卻並不是想象的這樣。實驗發現，第三個參數傳遞進去的TAG首地址似乎沒有起到作用，因爲啓動時總是找不到正確的啓動參數。後來發現內核有個默認的TAG首地址0x30000100，它總是到0x30000100去尋找啓動參數，而不理會我們傳進來的第三個參數。所以，S-Boot中把TAG首地址就設置爲0x30000100。
5. 小結
綜上所述，包含最基本功能的S-Boot運行流程已經很清楚了。下圖對此作了一個總結。
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