BootLoader_BootLoader是什么

一.簡介

回憶一下PC的體系結構我們可以知道，PC機中的引導加載程序由BIOS(其本質就是一段固件程序)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，然后將控制權交給OSBootLoader。BootLoader的主要運行任務就是將內核映象從硬盤上讀到RAM中，然后跳轉到內核的入口點去運行，也即開始啟動操作系統(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也會內嵌一段短小的啟動程序)，因此整個系統(tǒng)的加載啟動任務就完全由BootLoader來完成。比如在一個基于ARM7TDMIcore的嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)在上電或復位時通常都從地址0x00000000處開始執(zhí)行，而在這個地址處安排的通常就是系統(tǒng)的BootLoader程序。

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

Linux內核。特定于嵌入式板子的定制內核以及內核的啟動參數。

引導加載程序是系統(tǒng)加電后運行的第一段軟件代碼。

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

二.BootLoader的概念

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

1.BootLoader所支持的CPU和嵌入式板

每種不同的CPU體系結構都有不同的BootLoader。有些BootLoader也支持多種體系結構的CPU，比如U-Boot就同時支持ARM體系結構和MIPS體系結構。除了依賴于CPU的體系結構外，BootLoader實際上也依賴于具體的嵌入式板級設備的配置。這也就是說，對于兩塊不同的嵌入式板而言，即使它們是基于同一種CPU而構建的，要想讓運行在一塊板子上的BootLoader程序也能運行在另一塊板子上，通常也都需要修改BootLoader的源程序。

2.BootLoader的安裝媒介(InstallationMedium)

系統(tǒng)加電或復位后，所有的CPU通常都從某個由CPU制造商預先安排的地址上取指令。比如，基于ARM7TDMIcore的CPU在復位時通常都從地址0x00000000取它的第一條指令。而基于CPU構建的嵌入式系統(tǒng)通常都有某種類型的固態(tài)存儲設備(比如：ROM、EEPROM或FLASH等)被映射到這個預先安排的地址上。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的設備或機制

主機和目標機之間一般通過串口建立連接，BootLoader軟件在執(zhí)行時通常會通過串口來進行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的啟動過程

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

5.BootLoader與主機之間進行文件傳輸所用的通信設備及協議

最常見的情況就是，目標機上的BootLoader通過串口與主機之間進行文件傳輸，傳輸協議通常是xmodem/ymodem/zmodem協議中的一種。但是，串口傳輸的速度是有限的，因此通過以太網連接并借助TFTP協議來下載文件是個更好的選擇。在討論了BootLoader的上述概念后，下面我們來具體看看BootLoader的應該完成哪些任務。

三.BootLoader的主要任務與典型結構框架

在繼續(xù)本節(jié)的討論之前，首先我們做一個假定，那就是：假定內核映像與根文件系統(tǒng)映像都被加載到RAM中運行。之所以提出這樣一個假設前提是因為，在嵌入式系統(tǒng)中內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)存儲設備中直接運行。但這種做法無疑是以運行速度的犧牲為代價的。

從操作系統(tǒng)的角度看，BootLoader的總目標就是正確地調用內核來執(zhí)行。另外，由于BootLoader的實現依賴于CPU的體系結構，因此大多數BootLoader都分為stage1和stage2兩大部分。依賴于CPU體系結構的代碼，比如設備初始化代碼等，通常都放在stage1中，而且通常都用匯編語言來實現，以達到短小精悍的目的。

而stage2則通常用C語言來實現，這樣可以實現給復雜的功能，而且代碼會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)：

硬件設備初始化。

為加載BootLoader的stage2準備RAM空間。

拷貝BootLoader的stage2到RAM空間中。

設置好堆棧。

跳轉到stage2的C入口點。

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備。

檢測系統(tǒng)內存映射(memorymap)。

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

為內核設置啟動參數。

調用內核。

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。為中斷提供服務通常是OS設備驅動程序的責任，因此在BootLoader的執(zhí)行全過程中可以不必響應任何中斷。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。

設置CPU的速度和時鐘頻率。

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

初始化LED。典型地，通過GPIO來驅動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。

關閉CPU內部指令/數據cache。

3.1.2為加載stage2準備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，除了stage2可執(zhí)行映象的大小外，還必須把堆?？臻g也考慮進來。此外，空間大小最好是memorypage大小(通常是4KB)的倍數。一般而言，1M的RAM空間已經足夠了。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空間內執(zhí)行。

但是，將stage2安排到整個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(這兩個地址均以4字節(jié)邊界對齊)。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，必須對你所安排的地址范圍進行測試。

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

先保存memorypage一開始兩個字的內容。

向這兩個字中寫入任意的數字。比如：向第一個字寫入0x55，第2個字寫入0xaa。

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

再向這兩個字中寫入任意的數字。比如：向第一個字寫入0xaa，第2個字中寫入0x55。

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

恢復這兩個字的原始內容。測試完畢。

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空間范圍進行清零操作。

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