解析嵌入式系統(tǒng)的Boot Loader

由Boot Loader和固化在固件（firmware）中的Boot代碼（可選）共同組成一個嵌入式系統(tǒng)的引導加載程序。嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機器和設備運行的裝置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。目前國內(nèi)一個普遍被認同的定義是：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)，對功能、對可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。

1 Boot Loader分析

系統(tǒng)加電，然后復位后，基本上所有的CPU都是從復位地址上取得指令的。以微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)中，通常都有某種類型的固態(tài)存儲設備（FLASH，E2PROM等），這個固態(tài)存儲設備被映射到一個預先設置好的地址上。在系統(tǒng)加電復位后，一開始處理器就會去執(zhí)行存放在復位地址處的程序，而且通過開發(fā)環(huán)境可以將Boot Loader定位在復位地址一開始的存儲空間上，因此Boot Loader是系統(tǒng)加電后，在操作系統(tǒng)內(nèi)核或者一些應用程序被運行之前，首先會運行的程序。嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以，如果能建立相對通用的軟硬件基礎，然后在其上開發(fā)出適應各種需要的系統(tǒng)，是一個比較好的發(fā)展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個只有幾K到幾十K微內(nèi)核，需要根據(jù)實際的使用進行功能擴展或者裁減，但是由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴展能夠非常順利的進行。

微處理器用一片或少數(shù)幾片大規(guī)模集成電路組成的中央處理器。這些電路執(zhí)行控制部件和算術邏輯部件的功能。微處理器與傳統(tǒng)的中央處理器相比，具有體積小，重量輕和容易模塊化等優(yōu)點。微處理器的基本組成部分有：寄存器堆、運算器、時序控制電路，以及數(shù)據(jù)和地址總線。微處理器能完成取指令、執(zhí)行指令，以及與外界存儲器和邏輯部件交換信息等操作，是微型計算機的運算控制部分。它可與存儲器和外圍電路芯片組成微型計算機。

以微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)中，一般都有某種類型的固態(tài)存儲設備（FLASH，E2PROM等），這個固態(tài)存儲設備被映射到一個預先設置好的地址上。在系統(tǒng)加電復位后，一開始處理器就會去執(zhí)行存放在復位地址處的程序。而且通過開發(fā)環(huán)境可以將Boot Loader定位在復位地址一開始的存儲空間上，Linux是一類Unix計算機操作系統(tǒng)的統(tǒng)稱。Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核的名字也是“Linux”。Linux操作系統(tǒng)也是自由軟件和開放源代碼發(fā)展中最著名的例子。嚴格來講，Linux這個詞本身只表示Linux內(nèi)核，但在實際上人們已經(jīng)習慣了用Linux來形容整個基于Linux內(nèi)核，并且使用GNU 工程各種工具和數(shù)據(jù)庫的操作系統(tǒng)。Linux得名于計算機業(yè)余愛好者Linus Torvalds。它的主要任務有以下7個方面。

（1）初始化處理器及外設的硬件資源配置。一般嵌入式系統(tǒng)的處理器在上電復位后，外部的I/O引腳都處于輸入狀態(tài)，處理器的片內(nèi)和片外設備資源都需要配置。

（2）建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的環(huán)境，這樣就能為最終啟動操作系統(tǒng)的內(nèi)核提供最好條件。

（3）把操作裝載到映射的內(nèi)存中，這也是所有任務當中最重要的一個，只有完成這個任務，操作系統(tǒng)才能被裝載到內(nèi)存當中去，Boot Loader一般會提供串口和網(wǎng)絡裝載兩種方式。

（4）為了把操作系統(tǒng)的映像保存在FLASH中，以便以后啟動，可以直接裝載FLASH的數(shù)據(jù)，而不用重新下載程序，但需要對FLASH進行編程。

（5）運行操作系統(tǒng)。設置相關的寄存器和資源，跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)的所在空間，進行相關的引導，這就是Boot Loader。

（6）在Linux系統(tǒng)啟動時，傳遞系統(tǒng)的啟動參數(shù)，可以給內(nèi)核傳遞命令行等參數(shù)，通過命令行可以選擇控制系統(tǒng)的啟動模式。

（7）命令行的解析和輸入/輸出控制。為了開發(fā)的方便，多數(shù)的Boot Loader都采用串口作為終端的控制方式。

Boot Loader的啟動過程可分為兩個重要階段。第一階段：由于Boot Loader的實現(xiàn)依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)，所以設備代碼的初始化等功能都在該階段完成。而且，為了達到縮短代碼的目的，通常用匯編語言來編寫。

①硬件設備的初始化。在該階段的執(zhí)行過程中，首先需要對硬件設備進行初始化，其目的主要是為第二階段的執(zhí)行以及隨后Kernel的調(diào)用準備基本的硬件環(huán)境。

②為加載Boot Loader的第二階段準備RAM空間。為了獲得更快的執(zhí)行速度，通常把第二階段加載到RAM空間中來執(zhí)行。因此，必須為加載Boot Loader準備好一段可用的RAM空間范圍。

③設置堆棧指針。設置堆棧是為了執(zhí)行C語言代碼作好準備。

④跳轉(zhuǎn)到第二階段的C入口點。當程序執(zhí)行到這個位置時，可以通過修改PC寄存器的值，使其跳轉(zhuǎn)到第二階段。

第二階段階段的啟動流程分析：為了便于實現(xiàn)復雜的功能和獲得更好的代碼可讀性和可移植性，通常第二階段的代碼用C語言來實現(xiàn)。但是，與普通C語言的不同之處是，這里使用了“彈簧床”的概念，即先用匯編語言寫一段小程序，并將這段小程序作為第二階段可執(zhí)行映像的執(zhí)行入口點，然后在匯編程序中用CPU跳轉(zhuǎn)指令跳入main（）函數(shù)中去執(zhí)行，當main（）函數(shù)返回時，CPU執(zhí)行路徑再次返回到匯編程序中第二階段，包括初始化本階段要使用的硬件設備，檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射，會將Kernel映像和根文件系統(tǒng)映像從FLASH中讀到RAM空間中。

2 Boot Loader的設計

2.1 中斷向量表（二級）的設計與建立

如果有中斷或者異常發(fā)生時，處理器便會強制性地把PC指針指向向量表中它所對應的中斷類型地址值。為了提高中斷響應速度，F(xiàn)LASH的0x0地址存放能跳轉(zhuǎn)到0x33FFFF00地址處中斷向量的跳轉(zhuǎn)指令，也就是會在在RAM中建立一個二級中斷向量表，起始地址為0x33FFFF00。代碼如下：

2.2 第二階段拷貝到RAM

把第二階段Stage2拷貝到RAM地址的最頂大小為1 MB的開始空間，RAM的起始地址為0x30000000。代碼如下所示：

2.3 堆棧指針的設置

用戶使用哪些中斷決定了系統(tǒng)堆棧的初始化，以及系統(tǒng)需要處理的哪些錯誤類型。一般情況下，堆棧設置是必須，而且是由管理者自己設置的。如果需要使用IRQ中斷，那么IRQ堆棧的設置也是必須的，下面是IRQ堆棧的設置：

3 Stage2的設計

3.1 可執(zhí)行映像Stage2的入口

由于Glibc庫支持的函數(shù)不能用于編譯和鏈接Boot Loader這樣用C語言編寫的程序，因此把main（）函數(shù)的起始地址作為第二階段的入口點是最直接的想法。可以用匯編編寫一段Trampoline小程序，用CPU跳轉(zhuǎn)指令跳到main（）函數(shù)去執(zhí)行，當函數(shù)返回時會再次回到Trampoline程序，代碼如下：

程序順利時就不會再回到開始的Trampoline程序，不然就會回到最后的語句，系統(tǒng)就會重新啟動。

3.2 內(nèi)存影射

一般S3C2410上配置的SDRSAM大小為64 MB，該SDRAM的物理地址范圍是Ox30000000～Ox33FFFFFF（屬于Bank 6）。由Section的大小可知，該物理空間可被分成64個物理段。因為ARM體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)緩沖必須通過MMU開啟，因此Boot Loader效率不是很高，但是MMU可以通過平板映射方式被開啟，MMU是Memory Management Unit的縮寫，中文名是內(nèi)存管理單元，它是中央處理器（CPU）中用來管理虛擬存儲器、物理存儲器的控制線路，同時也負責虛擬地址映射為物理地址，以及提供硬件機制的內(nèi)存訪問授權(quán)。映射關系代碼如下：

3.3 裝載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像

像ARM這樣的嵌入式CPU通常都是在統(tǒng)一的內(nèi)存地址空間中尋址FLASH等固態(tài)存儲設備的，因此從Flash上讀取數(shù)據(jù)與從RAM單元中讀取數(shù)據(jù)一樣，用一個簡單的循環(huán)就可以完成從FLASH設備上拷貝映像的工作：其中count為根文件系統(tǒng)映像的大小或內(nèi)核映像的大小。

3.4 內(nèi)核的啟動參數(shù)的設置

內(nèi)核啟動可以從NAND FLASH（NOR FLASH）中啟動運行Linux，需要修改啟動命令如下：

LCD啟動參數(shù)一般都包括root，init和console。noinitrd不使用ramdisk。root根文件系統(tǒng)在MTD分區(qū)。Init內(nèi)核運行入口命令文件。co-nsol內(nèi)核信息控制臺，ttys0表示串行口0;tty0表示虛擬終端。

4 結(jié)語

通過對Boot Loader的分析可以看出，設計一個性能優(yōu)良的Boot Loader可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及實時性，它是嵌入式開發(fā)中不可或缺的一部分。只有設計出一個穩(wěn)定的Boot Loader，才能進行下一步的系統(tǒng)開發(fā)工作，直至完成整個嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。設計Boot Loader是一項很復雜的工作，需要對硬件資源和所用的操作系統(tǒng)有很深的理解。