开发一个RISC-V上的操作系统（二）—— 系统引导程序（Bootloader）

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一、什么是Bootloader

二、简单的启动程序

三、上板测试

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开发一个RISC-V上的操作系统（一）—— 环境搭建_riscv开发环境_Patarw_Li的博客-CSDN博客

开发一个RISC-V上的操作系统（二）—— 系统引导程序（Bootloader）_Patarw_Li的博客-CSDN博客

​​​​​​​开发一个RISC-V上的操作系统（三）—— 串口驱动程序（UART）_Patarw_Li的博客-CSDN博客

一、什么是Bootloader

Bootloader是cpu在上电后执行的第一段代码，用于初始化各类资源，并且跳转到主程序上执行，比如初始化sp寄存器，将rom中的数据搬运到ram上，清零bss段等等。

百度百科的词条中，这样解释Bootloader：“Bootloader是嵌入式系统在加电后执行的第一段代码，在它完成CPU和相关硬件的初始化之后，再将操作系统映像或固化的嵌入式应用程序装载到内存中然后跳转到操作系统所在的空间，启动操作系统运行”。

一般系统引导程序都是固化在flash中（因为ram断电即失），上电后先执行引导程序再跳转到主程序上执行：

引导程序大多都是使用汇编语言编写（毕竟涉及到一些寄存器操作），下面我会写一个简单的启动程序来帮助我们初始化栈指针sp、并且跳转到主程序执行。

二、简单的启动程序

可以先去我的gitee仓库下载代码，本节代码在 00_START 目录下下：

riscv_os: 一个RISC-V上的简易操作系统

代码结构如下： 

 

inc目录下存放头文件；kernel.c为主程序，引导程序最终会跳转到这里执行；start.S为引导程序；Makefile为自动化构建脚本。

先来看看start.S里的内容：

#include "inc/platform.h"

        # size of stack is 256 bytes
        .equ    STACK_SIZE, 256
        .global _start

        .text
_start:
        la      sp, RAM + STACK_SIZE     # set the initial stack pointer to 0x00001100 (0x00001000 + 256)
        j       start_kernel             # jump to kernel

        .end                             # end of file

• .equ类似于C语言里面的宏，将STACK_SIZE设置成256。
• .global关键字用来让一个符号对链接器可见，可以供其他链接对象模块使用；告诉编译器后续跟的是一个全局可见的名字（变量/函数名）。
• .text指定后续内容为代码段。
• _start是一个符号，是汇编程序默认入口标号。也是编译、链接后程序的起始地址。 由于程序是通过加载器来加载的，必然要找到 _start名字的函数，因此 _start必须定义成全局的，以便存在于编译后的全局符号表中，供其他程序（如加载器）寻找到。
• la  sp, RAM + STACK_SIZE 将栈指针寄存器sp的值初始化为RAM + STACK_SIZE（0x00001000 + 256）。
•  j   start_kernel 跳转到start_kernal 主程序中执行。

为什么用大写的.S后缀而不用小写的.s呢？因为使用GCC（准确说是GCC调用了as汇编器）处理汇编代码时，汇编文件的后缀有两种：.s与.S。这两种文件都是汇编代码，其区别在于：

.s格式的汇编文件中，只能包含纯粹的汇编代码，汇编器只对其进行汇编操作，没有预处理操作；
.S格式的汇编文件中，还可以使用预处理命令，汇编器会先进行预处理，然后再进行汇编。

而我们的启动代码包含了头文件，所以就需要用大写的.S结尾的汇编文件了。

然后是Makefile里面的内容：

CROSS_COMPILE = riscv64-unknown-elf-
CFLAGS = -nostdlib -fno-builtin -march=rv32im -mabi=ilp32 -g -Wall

CC = ${CROSS_COMPILE}gcc
OBJCOPY = ${CROSS_COMPILE}objcopy
OBJDUMP = ${CROSS_COMPILE}objdump

SRCS_ASM = \
           start.S \

SRCS_C = \
        kernel.c \

OBJS = $(SRCS_ASM:.S=.o)
OBJS += $(SRCS_C:.c=.o)

.DEFAULT_GOAL := all
all: os.elf

# start.o must be the first in dependency!
os.elf: ${OBJS}
        ${CC} ${CFLAGS} -o os.elf $^
        ${OBJCOPY} -O binary os.elf os.bin

%.o : %.c
        ${CC} ${CFLAGS} -c -o $@ $<

%.o : %.S
        ${CC} ${CFLAGS} -c -o $@ $<

.PHONY : code
code: all
        @${OBJDUMP} -S os.elf | less

clean:
        rm -fr *.o *.bin *.elf

该脚本的工作是先把start.S和kernel.c编译成start.o和kernel.o目标文件，然后再将start.o和kernel.o目标文件链接成os.elf文件，最后再通过objcopy将os.elf文件变成二进制os.bin文件，os.bin文件就是最后我们要放到板子上跑的程序。

可能有人会问为什么不直接把elf文件放到处理器上去运行，下面对elf格式的文件做一些简单的介绍：

下面是elf文件的格式，可以看到除了中间一部分正文段和数据段以外，还有一些其他的段，比如ELF Header，里面描述了体系结构和操作系统等基本信息，并指出Section Header Table和Program Header Table在文件中的什么位置；Program Header Table在汇编和链接过程中没有用到，所以是可有可无的，Section Header Table中保存了所有Section的描述信息。

但是cpu并不能识别这些信息，只有一些特定的操作系统才能识别这些信息，所以这些信息对处理器来说是没有用的，而objcopy指令正是帮我们去掉这些处理器无法识别的内容，留下的内容即为处理器可以识别的内容。

Makefile脚本的用法：

1. 生成二进制.bin文件，执行make即可：

make

生成的os.bin即为我们要烧录到板子上运行的程序。

2. 查看二进制文件的os.elf的汇编代码：

make code

使用这个指令可以查看每条C语句对应的汇编代码以及每条指令的地址。 

3. 清除所有生成的文件：

make clean

最后是kernel.c里面的内容，这里面即可存放我们要运行的内容，还是以我们的流水灯程序为例子：

void start_kernel(void){
        uint8_t *gpio_data = (uint8_t *)0x20000004;
        while(1){
                // 第一个灯亮起
                *gpio_data = 1;
                for(int i = 0; i < 1000000; i++); // delay

                // 第二个灯亮起
                *gpio_data = 2;
                for(int i = 0; i < 1000000; i++); // delay

                // 第三个灯亮起
                *gpio_data = 4;
                for(int i = 0; i < 1000000; i++); // delay

                // 第四个灯亮起
                *gpio_data = 8;
                for(int i = 0; i < 1000000; i++); // delay
        }

        while(1){}; // stop here!
}

这样引导程序和主程序都准备完毕了，我们接下来就可以上板实验了。

三、上板测试

要进行上板测试，首先得按照我前面的文章烧录riscv处理器程序到板子上：

RISC-V处理器的设计与实现（三）—— 上板验证（基于野火征途Pro开发板）_Patarw_Li的博客-CSDN博客

项目仓库地址：cpu_prj: 一个基于RISC-V指令集的CPU实现

然后执行make生成os.bin文件后，通过python串口发送程序（serial_utils目录下）将os.bin文件烧录到处理器的memory上（按住key1不动，烧录完后松开），烧录后即可看到流水灯现象。 

遇到问题欢迎加群 892873718 交流~