BootLoader_BootLoader是什么

一.簡(jiǎn)介

回憶一下PC的體系結(jié)構(gòu)我們可以知道，PC機(jī)中的引導(dǎo)加載程序由BIOS(其本質(zhì)就是一段固件程序)和位于硬盤MBR中的OSBootLoader(比如，LILO和GRUB等)一起組成。BIOS在完成硬件檢測(cè)和資源分配后，將硬盤MBR中的BootLoader讀到系統(tǒng)的RAM中，然后將控制權(quán)交給OSBootLoader。BootLoader的主要運(yùn)行任務(wù)就是將內(nèi)核映象從硬盤上讀到RAM中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點(diǎn)去運(yùn)行，也即開始啟動(dòng)操作系統(tǒng)。而在嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒有像BIOS那樣的固件程序(注，有的嵌入式CPU也會(huì)內(nèi)嵌一段短小的啟動(dòng)程序)，因此整個(gè)系統(tǒng)的加載啟動(dòng)任務(wù)就完全由BootLoader來完成。比如在一個(gè)基于ARM7TDMIcore的嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)在上電或復(fù)位時(shí)通常都從地址0x00000000處開始執(zhí)行，而在這個(gè)地址處安排的通常就是系統(tǒng)的BootLoader程序。

引導(dǎo)加載程序。包括固化在固件(firmware)中的boot代碼(可選)，和BootLoader兩大部分。

Linux內(nèi)核。特定于嵌入式板子的定制內(nèi)核以及內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù)。

引導(dǎo)加載程序是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段軟件代碼。

本文將從BootLoader的概念、BootLoader的主要任務(wù)、BootLoader的框架結(jié)構(gòu)以及BootLoader的安裝等四個(gè)方面來討論嵌入式系統(tǒng)的BootLoader。

二.BootLoader的概念

簡(jiǎn)單地說，BootLoader就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過這段小程序，我們可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。

1.BootLoader所支持的CPU和嵌入式板

每種不同的CPU體系結(jié)構(gòu)都有不同的BootLoader。有些BootLoader也支持多種體系結(jié)構(gòu)的CPU，比如U-Boot就同時(shí)支持ARM體系結(jié)構(gòu)和MIPS體系結(jié)構(gòu)。除了依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)外，BootLoader實(shí)際上也依賴于具體的嵌入式板級(jí)設(shè)備的配置。這也就是說，對(duì)于兩塊不同的嵌入式板而言，即使它們是基于同一種CPU而構(gòu)建的，要想讓運(yùn)行在一塊板子上的BootLoader程序也能運(yùn)行在另一塊板子上，通常也都需要修改BootLoader的源程序。

2.BootLoader的安裝媒介(InstallationMedium)

系統(tǒng)加電或復(fù)位后，所有的CPU通常都從某個(gè)由CPU制造商預(yù)先安排的地址上取指令。比如，基于ARM7TDMIcore的CPU在復(fù)位時(shí)通常都從地址0x00000000取它的第一條指令。而基于CPU構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)通常都有某種類型的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備(比如：ROM、EEPROM或FLASH等)被映射到這個(gè)預(yù)先安排的地址上。因此在系統(tǒng)加電后，CPU將首先執(zhí)行BootLoader程序。

3.用來控制BootLoader的設(shè)備或機(jī)制

主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間一般通過串口建立連接，BootLoader軟件在執(zhí)行時(shí)通常會(huì)通過串口來進(jìn)行I/O，比如：輸出打印信息到串口，從串口讀取用戶控制字符等。

4.BootLoader的啟動(dòng)過程

BootLoader的啟動(dòng)過程是單階段(SingleStage)還是多階段(Multi-Stage)通常多階段的BootLoader能提供更為復(fù)雜的功能，以及更好的可移植性。從固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上啟動(dòng)的BootLoader大多都是2階段的啟動(dòng)過程，也即啟動(dòng)過程可以分為stage1和stage2兩部分。而至于在stage1和stage2具體完成哪些任務(wù)將在下面討論。

5.BootLoader與主機(jī)之間進(jìn)行文件傳輸所用的通信設(shè)備及協(xié)議

最常見的情況就是，目標(biāo)機(jī)上的BootLoader通過串口與主機(jī)之間進(jìn)行文件傳輸，傳輸協(xié)議通常是xmodem/ymodem/zmodem協(xié)議中的一種。但是，串口傳輸?shù)乃俣仁怯邢薜?，因此通過以太網(wǎng)連接并借助TFTP協(xié)議來下載文件是個(gè)更好的選擇。在討論了BootLoader的上述概念后，下面我們來具體看看BootLoader的應(yīng)該完成哪些任務(wù)。

三.BootLoader的主要任務(wù)與典型結(jié)構(gòu)框架

在繼續(xù)本節(jié)的討論之前，首先我們做一個(gè)假定，那就是：假定內(nèi)核映像與根文件系統(tǒng)映像都被加載到RAM中運(yùn)行。之所以提出這樣一個(gè)假設(shè)前提是因?yàn)?，在嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)核映像與根文件系統(tǒng)映像也可以直接在ROM或Flash這樣的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備中直接運(yùn)行。但這種做法無疑是以運(yùn)行速度的犧牲為代價(jià)的。

從操作系統(tǒng)的角度看，BootLoader的總目標(biāo)就是正確地調(diào)用內(nèi)核來執(zhí)行。另外，由于BootLoader的實(shí)現(xiàn)依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)，因此大多數(shù)BootLoader都分為stage1和stage2兩大部分。依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼，比如設(shè)備初始化代碼等，通常都放在stage1中，而且通常都用匯編語言來實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到短小精悍的目的。

而stage2則通常用C語言來實(shí)現(xiàn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)給復(fù)雜的功能，而且代碼會(huì)具有更好的可讀性和可移植性。

BootLoader的stage1通常包括以下步驟(以執(zhí)行的先后順序)：

硬件設(shè)備初始化。

為加載BootLoader的stage2準(zhǔn)備RAM空間。

拷貝BootLoader的stage2到RAM空間中。

設(shè)置好堆棧。

跳轉(zhuǎn)到stage2的C入口點(diǎn)。

BootLoader的stage2通常包括以下步驟(以執(zhí)行的先后順序)：

初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備。

檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存映射(memorymap)。

將kernel映像和根文件系統(tǒng)映像從flash上讀到RAM空間中。

為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)。

調(diào)用內(nèi)核。

3.1BootLoader的stage1

3.1.1基本的硬件初始化

這是BootLoader一開始就執(zhí)行的操作，其目的是為stage2的執(zhí)行以及隨后的kernel的執(zhí)行準(zhǔn)備好一些基本的硬件環(huán)境。它通常包括以下步驟(以執(zhí)行的先后順序)：

屏蔽所有的中斷。為中斷提供服務(wù)通常是OS設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的責(zé)任，因此在BootLoader的執(zhí)行全過程中可以不必響應(yīng)任何中斷。中斷屏蔽可以通過寫CPU的中斷屏蔽寄存器或狀態(tài)寄存器(比如ARM的CPSR寄存器)來完成。

設(shè)置CPU的速度和時(shí)鐘頻率。

RAM初始化。包括正確地設(shè)置系統(tǒng)的內(nèi)存控制器的功能寄存器以及各內(nèi)存庫(kù)控制寄存器等。

初始化LED。典型地，通過GPIO來驅(qū)動(dòng)LED，其目的是表明系統(tǒng)的狀態(tài)是OK還是Error。如果板子上沒有LED，那么也可以通過初始化UART向串口打印BootLoader的Logo字符信息來完成這一點(diǎn)。

關(guān)閉CPU內(nèi)部指令/數(shù)據(jù)cache。

3.1.2為加載stage2準(zhǔn)備RAM空間

為了獲得更快的執(zhí)行速度，通常把stage2加載到RAM空間中來執(zhí)行，因此必須為加載BootLoader的stage2準(zhǔn)備好一段可用的RAM空間范圍。由于stage2通常是C語言執(zhí)行代碼，因此在考慮空間大小時(shí)，除了stage2可執(zhí)行映象的大小外，還必須把堆棧空間也考慮進(jìn)來。此外，空間大小最好是memorypage大小(通常是4KB)的倍數(shù)。一般而言，1M的RAM空間已經(jīng)足夠了。具體的地址范圍可以任意安排，比如blob就將它的stage2可執(zhí)行映像安排到從系統(tǒng)RAM起始地址0xc0200000開始的1M空間內(nèi)執(zhí)行。

但是，將stage2安排到整個(gè)RAM空間的最頂1MB(也即(RamEnd-1MB)-RamEnd)是一種值得推薦的方法。

為了后面的敘述方便，這里把所安排的RAM空間范圍的大小記為：stage2_size(字節(jié))，把起始地址和終止地址分別記為：stage2_start和stage2_end(這兩個(gè)地址均以4字節(jié)邊界對(duì)齊)。因此：stage2_end=stage2_start+stage2_size

另外，還必須確保所安排的地址范圍的的確確是可讀寫的RAM空間，因此，必須對(duì)你所安排的地址范圍進(jìn)行測(cè)試。

具體的測(cè)試方法可以采用類似于blob的方法，也即：以memorypage為被測(cè)試單位，測(cè)試每個(gè)memorypage開始的兩個(gè)字是否是可讀寫的。為了后面敘述的方便，我們記這個(gè)檢測(cè)算法為：test_mempage，其具體步驟如下：

先保存memorypage一開始兩個(gè)字的內(nèi)容。

向這兩個(gè)字中寫入任意的數(shù)字。比如：向第一個(gè)字寫入0x55，第2個(gè)字寫入0xaa。

然后，立即將這兩個(gè)字的內(nèi)容讀回。顯然，我們讀到的內(nèi)容應(yīng)該分別是0x55和0xaa。如果不是，則說明這個(gè)memorypage所占據(jù)的地址范圍不是一段有效的RAM空間。

再向這兩個(gè)字中寫入任意的數(shù)字。比如：向第一個(gè)字寫入0xaa，第2個(gè)字中寫入0x55。

然后，立即將這兩個(gè)字的內(nèi)容立即讀回。顯然，我們讀到的內(nèi)容應(yīng)該分別是0xaa和0x55。如果不是，則說明這個(gè)memorypage所占據(jù)的地址范圍不是一段有效的RAM空間。

恢復(fù)這兩個(gè)字的原始內(nèi)容。測(cè)試完畢。

為了得到一段干凈的RAM空間范圍，我們也可以將所安排的RAM空間范圍進(jìn)行清零操作。

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