嵌入式系統(tǒng) Boot Loader 技術(shù)內(nèi)幕(1)

本文詳細(xì)地介紹了基于嵌入式系統(tǒng)中的 OS 啟動(dòng)加載程序 ―― Boot Loader 的概念、軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)以及結(jié)構(gòu)框架等內(nèi)容。

在專用的嵌入式板子運(yùn)行 GNU/Linux 系統(tǒng)已經(jīng)變得越來(lái)越流行。一個(gè)嵌入式 Linux 系統(tǒng)從軟件的角度看通?？梢苑譃樗膫€(gè)層次：

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

2. 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)。

3. 文件系統(tǒng)。包括根文件系統(tǒng)和建立于 Flash 內(nèi)存設(shè)備之上文件系統(tǒng)。通常用 ram disk 來(lái)作為 root fs。

4. 用戶應(yīng)用程序。特定于用戶的應(yīng)用程序。有時(shí)在用戶應(yīng)用程序和內(nèi)核層之間可能還會(huì)包括一個(gè)嵌入式圖形用戶界面。常用的嵌入式 GUI 有：MicroWindows 和 MiniGUI 懂。

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?；貞浺幌?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 OS Boot Loader（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 Boot Loader 讀到系統(tǒng)的 RAM 中，然后將控制權(quán)交給 OS Boot Loader。Boot Loader 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(méi)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 Boot Loader 來(lái)完成。比如在一個(gè)基于 ARM7TDMI core 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 Boot Loader 程序。

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

簡(jiǎn)單地說(shuō)，Boot Loader 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(guò)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。

通常，Boot Loader 是嚴(yán)重地依賴于硬件而實(shí)現(xiàn)的，特別是在嵌入式世界。因此，在嵌入式世界里建立一個(gè)通用的 Boot Loader 幾乎是不可能的。盡管如此，我們?nèi)匀豢梢詫?duì) Boot Loader 歸納出一些通用的概念來(lái)，以指導(dǎo)用戶特定的 Boot Loader 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

每種不同的 CPU 體系結(jié)構(gòu)都有不同的 Boot Loader。有些 Boot Loader 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，Boot Loader 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(shuō)，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 Boot Loader 程序也能運(yùn)行在另一塊板子上，通常也都需要修改 Boot Loader 的源程序。

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 ARM7TDMI core 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 Boot Loader 程序。

下圖1就是一個(gè)同時(shí)裝有 Boot Loader、內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù)、內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備的典型空間分配結(jié)構(gòu)圖。

主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間一般通過(guò)串口建立連接，Boot Loader 軟件在執(zhí)行時(shí)通常會(huì)通過(guò)串口來(lái)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。

通常多階段的 Boot Loader 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 Boot Loader 大多都是 2 階段的啟動(dòng)過(guò)程，也即啟動(dòng)過(guò)程可以分為 stage 1 和 stage 2 兩部分。而至于在 stage 1 和 stage 2 具體完成哪些任務(wù)將在下面討論。

大多數(shù) Boot Loader 都包含兩種不同的操作模式："啟動(dòng)加載"模式和"下載"模式，這種區(qū)別僅對(duì)于開發(fā)人員才有意義。但從最終用戶的角度看，Boot Loader 的作用就是用來(lái)加載操作系統(tǒng)，而并不存在所謂的啟動(dòng)加載模式與下載工作模式的區(qū)別。

啟動(dòng)加載（Boot loading）模式：這種模式也稱為"自主"（Autonomous）模式。也即 Boot Loader 從目標(biāo)機(jī)上的某個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到 RAM 中運(yùn)行，整個(gè)過(guò)程并沒(méi)有用戶的介入。這種模式是 Boot Loader 的正常工作模式，因此在嵌入式產(chǎn)品發(fā)布的時(shí)侯，Boot Loader 顯然必須工作在這種模式下。

下載（Downloading）模式：在這種模式下，目標(biāo)機(jī)上的 Boot Loader 將通過(guò)串口連接或網(wǎng)絡(luò)連接等通信手段從主機(jī)（Host）下載文件，比如：下載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像等。從主機(jī)下載的文件通常首先被 Boot Loader 保存到目標(biāo)機(jī)的 RAM 中，然后再被 Boot Loader 寫到目標(biāo)機(jī)上的FLASH 類固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備中。Boot Loader 的這種模式通常在第一次安裝內(nèi)核與根文件系統(tǒng)時(shí)被使用；此外，以后的系統(tǒng)更新也會(huì)使用 Boot Loader 的這種工作模式。工作于這種模式下的 Boot Loader 通常都會(huì)向它的終端用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單的命令行接口。

像 Blob 或 U-Boot 等這樣功能強(qiáng)大的 Boot Loader 通常同時(shí)支持這兩種工作模式，而且允許用戶在這兩種工作模式之間進(jìn)行切換。比如，Blob 在啟動(dòng)時(shí)處于正常的啟動(dòng)加載模式，但是它會(huì)延時(shí) 10 秒等待終端用戶按下任意鍵而將 blob 切換到下載模式。如果在 10 秒內(nèi)沒(méi)有用戶按鍵，則 blob 繼續(xù)啟動(dòng) Linux 內(nèi)核。

最常見的情況就是，目標(biāo)機(jī)上的 Boot Loader 通過(guò)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)乃俣仁怯邢薜模虼送ㄟ^(guò)以太網(wǎng)連接并借助 TFTP 協(xié)議來(lái)下載文件是個(gè)更好的選擇。

此外，在論及這個(gè)話題時(shí)，主機(jī)方所用的軟件也要考慮。比如，在通過(guò)以太網(wǎng)連接和 TFTP 協(xié)議來(lái)下載文件時(shí)，主機(jī)方必須有一個(gè)軟件用來(lái)的提供 TFTP 服務(wù)。

在討論了 BootLoader 的上述概念后，下面我們來(lái)具體看看 BootLoader 的應(yīng)該完成哪些任務(wù)。