如何創建高效的Android Bootloader程序

在安卓設備上的操作系統啟動前，Bootloader程序是第一步需要運行的程序。它作為引導程序，先初始化硬體並載入操作系統內核，從而確保操作系統正常啟動。在這篇文章中，我們將介紹如何創建一個高效的安卓Bootloader程序，並給出完整的代碼示例。

一、準備工作

1、安卓開發工具包：Android SDK
2、編譯器：ARM GCC
3、基於設備的廠商代碼

在開始編寫Bootloader代碼之前，我們需要先了解安卓設備的硬體結構和製造商的技術特性，以及ARM架構的指令集和引導程序的實現方法等等。同時，我們還需要安裝好所需的軟體工具，以及獲取基於設備的廠商代碼，以便進行正式的編譯測試。

二、Bootloader程序框架

1、Bootloader主要包含以下組成部分：
• 引導程序初始化
• CPU和內存初始化
• 讀寫Flash內存
• 載入內核及啟動
• 內核運行時參數傳遞

Bootloader程序框架必須按照系統硬體結構來設計，它需要在程序啟動時即對硬體進行初始化，並把內核及其運行參數放到指定內存中並啟動內核，完成其引導作用。下面是一個簡單的Bootloader程序實現代碼示例：

    void start_kernel(void){
        int fb, addr;
        
        fb = init_fb(); // initialize framebuffer
        if (fb == 0) 
            puts("Failed to init_fb()");
        else 
            puts("Frame buffer initialized.");
        
        addr = init_mem(); // initialize memory
        if (addr == 0) 
            puts("Failed to init_mem()");
        else 
            puts("Memory initialized.");
        
        load_kernel(addr); // load kernel image
        puts("Kernel loaded.");
        
        start_kernel(); // start kernel
        puts("Kernel started.");
    }

三、硬體初始化與讀寫Flash內存

1、硬體初始化
• 晶元的複位（reset）和時鐘（clock）配置
• DDR（Double Data Rate）內存控制器的初始化
• SD卡的初始化
• 串口（UART）的初始化

2、讀寫Flash內存
• 在Bootloader程序中，我們只需要簡單地維護一個包含Flash內存的讀寫函數。這種函數將在引導過程中執行，它會從Flash中提取必要的數據（如內核映像和引導參數）並將其放入內存中供內核使用。下面是一個讀取Flash中內核映像的示例代碼：

    void read_kernel_image(uint32_t kernel_start, uint32_t kernel_size,
                       uint32_t ram_start, uint32_t ram_size)
    {
        uint32_t i;
        uint32_t j = 0;
        
        for(i=kernel_start; i<kernel_start+kernel_size; i++)
        {
            ((volatile uint8_t *)ram_start)[j] = 
                 *((volatile uint8_t *)i);
            j++;
        }
    }

四、載入內核及啟動

1、載入內核
• 在Bootloader程序中，我們需要實現內核載入函數，將從Flash中提取的內核映像複製到指定的物理內存地址中。下面是一個示例代碼：

    void load_kernel_image(uint32_t kernel_start, uint32_t kernel_size,
                        uint32_t ram_start, uint32_t ram_size)
    {
        memcpy((void *)ram_start, (void *)kernel_start, kernel_size);
    }

2、啟動內核
• 在內核成功載入後，引導程序需要將控制權交還給內核，讓其開始正常的初始化和操作。這需要使用ARM中斷機制中的「軟體中斷（SWI）」來完成，所有ARM CPU都支持SWI指令。下面是一個修改後的Bootloader程序實現代碼示例：

    void start_kernel(void){
        int fb, addr;
        
        fb = init_fb(); // initialize framebuffer
        if (fb == 0) 
            puts("Failed to init_fb()");
        else 
            puts("Frame buffer initialized.");
        
        addr = init_mem(); // initialize memory
        if (addr == 0) 
            puts("Failed to init_mem()");
        else 
            puts("Memory initialized.");
        
        load_kernel(addr); // load kernel image
        puts("Kernel loaded.");
        
        asm volatile("mov r0, #0 /* parameter to kernel */\n"
                     "mov r1, #(0x01000000) /* jump dest */\n"
                     "mov pc, #(0x8000 | 0x4) /* trigger SWI */");
    }

五、內核運行時參數傳遞

1、內核命令行參數傳遞
• Bootloader程序需要從Flash內存中讀取內核命令行參數，並將其放入內存中再傳遞給內核。下面是一個示例代碼：

    void parse_kernel_params(char * cmdline)
    {
        // save cmdline...
    }
    
    void read_kernel_params(uint32_t param_start, uint32_t param_size)
    {
        uint32_t i;
        char *cmdline = (char *)param_start;
        char c;
        
        for(i=0; i<param_size; i++)
        {
            c = *((volatile uint8_t *)(param_start+i));
            if(c == '\0')
                break;
            cmdline[i] = c;
        }
        
        parse_kernel_params(cmdline);
    }

六、總結

本文介紹了如何創建高效的安卓Bootloader程序，並提供了完整的代碼示例。在實現Bootloader程序的過程中，我們要按照硬體結構和廠商技術特性來設計程序；要正確地進行硬體初始化和Flash內存的讀寫操作；要載入內核映像和對其進行啟動，同時實現內核命令行參數的傳遞。這些都是在Bootloader程序開發時需要特別注意的內容。