關于Boot Loader的啟動流程和開發(fā)經驗總結

Windows CE最大程度繼承了桌面版Windows的豐富功能，但是Windows CE并不是一個通用的安裝版操作系統(tǒng)。在形形色色的嵌入式設備世界里，一款CE系統(tǒng)通常只會針對某一種硬件平臺生成。

一般來說，Windows CE的開發(fā)過程可以分為：0AL(OEM AbstractiON Layer)、驅動、應用程序開發(fā)三個步驟。其中，0AL開發(fā)最基本的一步是板級支持包(BSP)，而BootLOAder設計則在BSP開發(fā)中具有極為關鍵的地位。

1.什么是BootLoader

嵌入式系統(tǒng)的啟動代碼一般由兩部分構成：引導代碼和操作系統(tǒng)執(zhí)行環(huán)境的初始化代碼。其中引導代碼一般也由兩部分構成：第一部分是板級、片級初始化代碼，主要功能是通過設置寄存器初始化硬件的工作方式，如設置時鐘、中斷控制寄存器等，完成內存映射、初始化MMU等。第二部分是裝載程序，將操作系統(tǒng)和應用程序的映像從只讀存儲器裝載或者拷貝到系統(tǒng)的RAM中并執(zhí)行。

(1)什么是板級BSP?

BSP(Board Support Package)是板級支持包,是介于主板硬件和操作系統(tǒng)之間的一層,主要是為了支持操作系統(tǒng)，使之能夠更好的運行于硬件主板。不同的操作系統(tǒng)對應于不同形式的BSP,例如WinCE的BSP和Linux的BSP相對于某CPU來說盡管實現(xiàn)的功能一樣,可是寫法和接口定義是完全不同的。所以，BSP一定要按照該系統(tǒng)BSP的定義形式來寫，這樣才能與上層OS保持正確的接口,良好的支持上層OS。

(2)什么是Boot Loader

在BSP中有一個重要的組成部分就是BootLoader,它是在操作系統(tǒng)內核運行之前運行的一段小程序。通過這段小程序，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)，為調用操作系統(tǒng)內核準備好環(huán)境。

一般來說，在嵌入式世界里BootLoader 是嚴重地依賴于硬件的，因此想建立一個通用的 BootLoader 幾乎是不可能的。不同的 CPU 體系結構有不同的BootLoader，而且除了依賴于 CPU的體系結構外，BootLoader還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 結構而構建的，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在PC機與嵌入式的區(qū)別比較

(1)引導程序在PC機和嵌入式上的區(qū)別

一般來說，在PC的硬件平臺上，由于硬件啟動根本就不是通過BootLoader(而是通過BIOS)，所以BootLoader就不需要對CPU加電后的初始化做任何工作。在桌面系統(tǒng)中，有以下幾種設備可以作為啟動設備使用：硬盤、USB盤、光盤驅動器、還有網卡的Boot ROM等。但無論選擇了哪一種啟動設備，操作系統(tǒng)都會去將該設備起始地址的內容讀入內存，BIOS將控制移交給引導裝載程序。如果啟動設備是IDE硬盤，這時通常將引導裝載程序裝入第一個扇區(qū)(通常被稱做主引導扇區(qū)，MBR)，然后將內容讀入內存再運行。

在嵌入式平臺上，引導裝載程序是在硬件上執(zhí)行的第一段代碼，通常將引導程序放置在不易丟失的存儲器的開始地址或者是系統(tǒng)冷啟動時PC寄存器的初始值。在嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒有像BIOS那樣的固件程序，因此整個系統(tǒng)的加載啟動任務就完全由BootLoader來完成，引導程序完成自己的任務后，也將控制權移交給操作系統(tǒng)。因此，BootLoader是最先被執(zhí)行的程序，所以就必須包括加電初始化程序。

(2)BSP在嵌入式和桌面Windows中的區(qū)別

其實運行在PC機上的桌面Windows或Linux系統(tǒng)也是有BSP的，只是PC機均采用統(tǒng)一的X86體系架構,這樣操作系統(tǒng)的BSP相對X86架構是單一確定的,不需要做任何修改就可以很容易支持OS在X86上正常運行,所以在PC機上談論BSP這個概念也就沒什么意義了。

而對嵌入式系統(tǒng)來說情況則完全不同,目前市場上有多種結構的嵌入式CPU(如X86,ARM,MIPS等),而且為了性能的需要,外圍設備也會有不同的選擇和定義。因此，一個嵌入式操作系統(tǒng)針對不同的CPU會有不同的BSP，又即使同一種CPU,由于外設的差別其BSP也會不一樣。所以根據硬件設計編寫和修改BSP,是保證嵌入式系統(tǒng)正常運行的一個重要環(huán)節(jié)。

(3)嵌入式BSP與PC機主板BIOS的區(qū)別

PC機主板上的BIOS首先是負責在電腦開啟時檢測、初始化系統(tǒng)設備、裝入操作系統(tǒng)并調度操作系統(tǒng)向硬件發(fā)出的指令。它的Firmware代碼是在芯片生產過程中固化的,一般來說用戶是無法修改。然后，為下載運行操作系統(tǒng)做準備,把操作系統(tǒng)由硬盤加載到內存,并傳遞一些硬件接口設置給系統(tǒng)。在OS正常運行后，BIOS的作用基本上也就完成了,這就是為什么更改BIOS一定要重新關機開機。

從這個角度來說，PC機BIOS的作用就象嵌入式系統(tǒng)中的Bootloader，都是最底層的引導軟件,初始化主板的基本設置,為接收外部程序做硬件上的準備。但與Bootloader不同的是，BIOS在裝載OS系統(tǒng)的同時還傳遞一些參數設置,而Bootloader只是簡單的裝載系統(tǒng)。盡管BSP的開始部分和BIOS所做的工作類似,可是大部分又和BIOS不同,作用也完全不同。因為BSP還包含和系統(tǒng)有關的基本驅動，程序員可以編程修改BSP，在BSP中任意添加一些和系統(tǒng)無關的驅動或程序,甚至可以把上層開發(fā)的統(tǒng)統(tǒng)放到BSP中。而BIOS程序是用戶不能更改和編譯編程的，只能對參數進行修改設置，當然更不會包含一些基本的硬件驅動。

3.Boot Loader的啟動流程

大多數 BootLoader 都包含兩種不同的操作模式：啟動加載模式和下載模式。啟動加載模式也稱為自主模式，即 BootLoader 從目標機上的某個固態(tài)存儲設備上將操作系統(tǒng)加載到 RAM 中運行，整個過程并沒有用戶的介入。而下載模式則是目標機上的 BootLoader 將通過串口連接或網絡連接等通信手段從主機(Host)下載文件。從主機下載的文件通常首先被 Boot Loader 保存到目標機的 RAM 中，然后再被 BootLoader 寫到目標機上的FLASH 類固態(tài)存儲設備中。這種模式通常在第一次安裝內核與根文件系統(tǒng)時被使用，或系統(tǒng)更新時使用。一般嵌入式系統(tǒng)的Boot Loader較為常用的是啟動加載模式，它的加載流程也是我們要重點討論的內容。

(1)啟動部分

啟動部分主要是實現(xiàn)初始化硬件的功能。在參考板的BootLoader目錄下，會發(fā)現(xiàn)一些.s文件，可能會是init.s或者是reset.s等，這樣的文件是CPU加電后最先執(zhí)行的代碼。接著Oal.exe通過Startup函數完成硬件的初始化，StartUp 函數是Boot Loader的入口函數。該函數一般是使用匯編語言編寫，與CPU關系非常緊密，能完成初始化CPU、內存等核心硬件。

Startup.s代碼與硬件平臺的Bootloader啟動代碼共用。如果是熱啟動，即在該函數調用之前已經啟動了Bootloader程序，相當基本硬件初始化已經完成，則直接跳轉到OALStartUp函數中;否則需要進行硬件中斷屏蔽、內存、系統(tǒng)時鐘頻率、電源管理等硬件的基本初始化過程。在系統(tǒng)硬件初始化完畢之后，Startup調用OALStartUp函數，OALStartUp函數主要完成將OEMAddressTable表傳遞給內核，然后調用KernelStart函數跳轉到內核。因此，這部分工作是BootLoader的一大重點。

(2)主控部分

StartUp 函數初始化CPU等核心硬件并跳轉到Main函數后，系統(tǒng)就會轉入C語言代碼執(zhí)行環(huán)境。這時函數分為3個模塊：BLCOMMON、Download Function、Flash Function。其中BLCOMMON模塊是由微軟提供的，執(zhí)行一些邏輯上的功能，因此建議開發(fā)人員不要對其進行修改。而Download Function、FLASH Function中的函數與硬件平臺息息相關，因此對于每種硬件平臺都要將函數的實現(xiàn)進行修改。

其中，BLCOMMON庫是與BootLoader程序鏈接在一起的，BLCOMMON庫的入口點為BootloaderMain函數，它是Startup匯編函數完成后跳轉至該入口的。Main函數的主要任務時調用BLCommon中的 BootloaderMain()函數，這是BootLoader的主控函數，它控制了BootLoader的完整執(zhí)行流程。這部分代碼由C語言實現(xiàn)，是BLCOMMON代碼的一部分，它可以用來執(zhí)行比較復雜的操作。比如檢測內存和Flash的有效性、檢測外部設備接口、檢測串口并且向已經連接的主機發(fā)送調試信息、通過串口等待命令、啟動網絡接口、建立內存映射等匯編無法完成的工作。

(3)下載部分

一般在平臺調試完畢后，可以在不用人工干預的情況下自動加載CE，這也是BootLoader的功能之一。而在調試階段時，這需要通過Loader所支持的命令來進行操作的，借助于這些命令不僅可以完成硬件平臺的部分測試，還能完成CE的BootLoader程序最為重要的一個功能--下載CE映像。如果說硬件調試功能可以由其它的程序代替而不放入BootLoader中，但是下載映像文件卻是BootLoader必需的功能。

CE映像文件通常叫做nk.bin，它是Windows CE二進制數據格式文件，不僅包含了有效的程序代碼，還有按照一定規(guī)則加入的控制信息。當然，也可以選擇生成.sre格式的代碼文件，但是相于對前一種格式，它的代碼要長很多，所需要的下載時間也更長。

(4)支持DOC部份

對于WinCE操作系統(tǒng)而言，豐富的多媒體功能是其一大特點。但是隨之而來的問題是，如果選擇了圖形界面和中文支持，系統(tǒng)很容易大大超出嵌入式系統(tǒng)上百KB的數量級。而DOC(Disk On Chip)則提供了一種相對廉價的大存儲容量的解決方案。

DOC本質上是一種加以軟件控制的NAND格式的Flash，通過TFFS這一軟件層提供對WinCE的支持。由于DOC不能像內存一樣被直接訪問，所以其加載WinCE的過程有些特殊，必須要在BootLoader中加入專門的代碼，才能使用DOC來存放WinCE映像文件。

4.Boot Loader的開發(fā)經驗總結

(1)嵌入式系統(tǒng)中，Bootloader的意義與作用與PC上的BIOS有點類似，它對開發(fā)板上的主要部件如CPU、SDRAM、FLASH、串口等進行了初始化，也可以使用Bootloader下載文件到開發(fā)板和啟動系統(tǒng)等。因此，一個功能比較強大的Bootloader已經相當于一個微型的操作系統(tǒng)了。

(2)從CE的BootLoader開發(fā)流程可以看出，BootLoader在完成下載CE映像和加載映像的主要功能外，還具有一些調試硬件的功能。當然，這些功能不是必需的，隨不同的用戶有不同的定義，但這是在開發(fā)CE系統(tǒng)中不可跳過的一環(huán)。

(3)嵌入式系統(tǒng)應用開發(fā)不同于PC機，其開發(fā)過程同時涉及軟硬件以及上層應用開發(fā)綜合考慮;而PC機應用開發(fā)是建立在已經定制好的硬件和操作系統(tǒng)平臺上，開發(fā)者只需調用系統(tǒng)提供的接口和服務完成相應的功能?？紤]到成本約束，嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺通常是根據應用量身定制，通常所用的MPU、存儲器、外圍設備等有多種選擇余地，使平臺的引導設計變得十分復雜。因此，從零實現(xiàn)的話會需要相當長的過程，通常的做法是利用微軟為每種類型CPU提供的標準開發(fā)板的BootLoader例程，從這些例程中尋找與硬件平臺最接近的作為標本程序，然后根據硬件平臺作相應的改動。

總而言之，BootLoader是開發(fā)WinCE系統(tǒng)第一步，也是關鍵的一步。只有得到一個穩(wěn)定工作的Loader程序，才能夠進一步開發(fā)WinCE的BSP，才能得到整個嵌入式系統(tǒng)的成功。