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。而在嵌入式系統中，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的嵌入式系統中，系統在上電或復位時通常都從地址0x00000000處開始執行，而在這個地址處安排的通常就是系統的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的BootLoader。

二.BootLoader的概念

簡單地說，BootLoader就是在操作系統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，從而將系統的軟硬件環境帶到一個合適的狀態，以便為最終調用操作系統內核準備好正確的環境。

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構建的嵌入式系統通常都有某種類型的固態存儲設備(比如：ROM、EEPROM或FLASH等)被映射到這個預先安排的地址上。因此在系統加電后，CPU將首先執行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

在繼續本節的討論之前，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，在嵌入式系統中內核映像與根文件系統映像也可以直接在ROM或Flash這樣的固態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。

從操作系統的角度看，BootLoader的總目標就是正確地調用內核來執行。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。

檢測系統內存映射(memorymap)。

將kernel映像和根文件系統映像從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一開始就執行的操作，其目的是為stage2的執行以及隨后的kernel的執行準備好一些基本的硬件環境。它通常包括以下步驟(以執行的先后順序)：

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，其目的是表明系統的狀態是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

為了獲得更快的執行速度，通常把stage2加載到RAM空間中來執行，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語言執行代碼，因此在考慮空間大小時，除了stage2可執行映象的大小外，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可執行映像安排到從系統RAM起始地址0xc0200000開始的1M空間內執行。

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)，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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