Symbian OS高级开发篇之系统引导

在讲述Symbian智能手机引导顺序前，先介绍或重新认识一下相关的基本概念。因为这些基本概念在系统启动过程表述中会经常出现。

 

NOR Flash

NOR Flash是Intel 1988年开发的，主要用来存储芯片内执行（XIP, eXecute In Place）程序，这些程序可以被CUP直接读取，而不用复制到RAM中去读取和执行。它与SOC（System ON Chip）上的静态存储总线连接，可以像RAM一样随机访问。

 

NOR Flash读取速度很快，但在擦除和写入时速度很慢，但是NOR Flash接口简单，容易使用。它的特点决定了它通常被用来存储代码。

 

NAND Flash

NAND flash是1989年由东芝公司开发出来的。NAND Flash是基于块的存储技术，它不支持XIP，意味存在其中的程序代码必须复制到RAM 中才能执行，这就要求在使用NAND Flash是还需要额外的RAM。NAND Flash写入和擦除的速度非常快，几乎是NOR Flash的10倍。但接口较复杂，且稳定性也稍差一些，不过由于其可以大批量生产，所以它的价格比NOR Flash便宜很多。它的特点决定了它通常被用来存储数据。

 

ARM CPU运行模式及寄存器

ARM架构采用堆叠寄存器（Banked Register），并且它是使用固定大小固定地址的向量表来处理异常。它有七种运行模式：

1. User(usr)模式：这是唯一的非特权模式，也就是说特定的指令不能再这种模式下执行，内存管理单元（MMU）会阻止对那些只有特权指令才能访问的内存区域的访问。这种模式是普通应用程序的执行模式。Symbian OS 中除了Kernel、设备驱动及板载支持包（BSP）外其他所有代码都在用户模式下执行。

2. System(sys)模式：系统模式是唯一的具有特权但不能进入异常处理的模式，Symbian OS 不使用系统模式。

3. Supervisor（Svc）：管理模式是操作系统中的保护模式，当执行一个中断指令或CPU重置都会进入这个模式，所有的Symbian OS Kernel程序都在这个模式下运行。

4. Abort (abt): 数据访问终止模式，是一种特权模式，用以虚拟存储及存储保护，当预取失败或数据失败异常发生会进入这个模式。Symbian OS 很少使用这个模式，仅当少量寄存器被保存后异常切换到管理模式之前时使用。

5. Undefined（Und）：未定义指令终止模式，当一个未定义的异常发生时，进入这个模式。Symbian OS 很少使用这个模式，仅当少量寄存器被保存后异常切换到管理模式之前时使用。

6. Interrupt（irq）：中断处理模式，当处理器接受一个IRQ 中断时进入此特权模式。在Symbian OS 中， 中断服务向量在这么模式中执行。

7. Fast Interrupt（fiq）：快速中断处理，用于高速数据传输和通道处理。当处理器接受一个FIQ中断时进入此模式。Symbian OS 中，FIQ中断服务向量在此模式中运行。

 

这七种运行模式的进入或退出都会写ARM状态寄存器（CPSR），CPSR的低五位决定了当前的运行模式。如下表所示：

 

 

CPSR[4:0]	Mode	Register set
10000	User	PC, R14..R0, CPSR
10001	FIQ	PC, R14_fiq..R8_fiq, R7-R0, CPSR, SPSR_fiq
10010	IRQ	PC, R14_irq, R13_irq, R12-R0, CPSR, SPSR_irq
10011	SVC	PC, R14_svc, R13_svc, R12-R0, CPSR, SPSR_sv
10111	Abort	PC, R14_abt, R13_abt, R12-R0, CPSR, SPSR_abt
11011	Undef	PC, R14_und, R13_und, R12-R0, CPSR, SPSR_und
11111	System	PC, R14..R0, CPSR

 

这7中运行模式除用户模式（Usr）外其他模式都是特权模式。ARM体系结构支持16个通用寄存器，从R0到R15分别表示这些寄存器。然而并非所有的寄存器在所有模式下都可访问，如下图所示，R0到R7，在所有模式下都可访问，且指的都是同一个物理寄存器；R8到R14每个寄存器对应不同的物理寄存器。这使得中断处理非常简单。例如，仅仅使用R8到R14寄存器时，FIQ处理程序可以不必执行保存和恢复中断现场的指令，从而使中断处理过程非常迅速。对于R13、R14，每个寄存器对应6个不同的物理寄存器，其中的一个是用户模式和系统模式公用，另外5个对应其他5种处理模式。R15为程序计数器（PC）。

 

 

 

 

Bootstrap

Bootstrap是一个程序，在手机硬件Reset后运行。它的任务是为系统Kernel的运行准备基本的环境。Symbian OS 将Bootstrap分为两层，其中之一是平台独立的，供ARM设备来使用，另个层是平台相关的，由手机制造商来实现。

 

系统启动过程

有了以上的基本概念，再来看Symbian智能手机的启动过程就比较简单了。Symbian智能手机的启动过程基本分为五个阶段，硬件Reset后从NOR Flash 或NAND Flash中加载运行Bootstrap、加载Kernel、文件系统、系统启动、Window Server及UI这五个阶段。如下图所示：

 

 

 

 

阶段1：

如果手机采用的是NAND Flash, 那么NAND核心载入器会载入并启动Bootstrap程序。如果是NOR Flash,就可以直接运行存于其中的Bootstrap程序。Bootrom.bin文件就是所谓的Bootstrap程序，这个阶段的系统环境：CPU低速运行，MMU处于禁用状态，PC(R15_svc)的值为0；行为顺序：

1.       切换CPU到svc模式，并屏蔽所有中断

2.       初始化硬件并清理中断

3.       创建一个执行栈，将SP（R13_svc）指向这个栈

4.       创建和初始化RAM页分配器

5.       映射基本的内存页面目录及第一页的页表，MMU开始使用虚拟地址

6.       分配线程栈，将SP（R13_svc）指向这个栈

7.       切换到基本执行单元执行入口点

 

阶段2：

这个阶段的主要是运行EKern.exe，系统环境：CPU全速运行，MMU可以使用；行为顺序：

1.       BSP被初始化

2.       触发BP（Baseband Processor）开始执行电话模块（RTOS）

3.       加载内核扩展

4.       准备下一阶段的处理

 

阶段3：

这个阶段的主要是运行EFile.exe，系统环境：微核（Micro-Kernel）功能正常；行为顺序：

1.       启动文件服务器

2.       挂接第一个文件系统ROMFS

3.       启动线程加载器以提供可执行加载服务

4.       运行EStart进程

5.       EStart运行后，它会加载其他的文件系统，恢复HAL设置如语言、地区等，最后开始系统启动

 

阶段4：

这个阶段运行Sysstart.exe程序，系统环境：Symbian Kernel 具有完整的服务功能。行为顺序：

1.       根据配置文件启动系统相关的服务。

2.       准备Window Server进程。

 

阶段5：

这个阶段运行Ewsrv.exe程序，行为顺序：

1.       启动Window Server

2.       启动Wsini.ini文件中的进程。

 

至此，整个系统基本就算启动完毕，可以使用了。