第八章嵌入式系統(tǒng)BootLoader技術(shù)

1、第八章 嵌入式系統(tǒng)Boot Loader技術(shù)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院祝勇主要內(nèi)容Boot Loader的概念Boot Loader的主要任務(wù)Boot Loader的框架結(jié)構(gòu)Boot Loader的安裝過(guò)程引言在專(zhuān)用的嵌入式開(kāi)發(fā)板運(yùn)行 GNU/Linux 系統(tǒng)已變得越來(lái)越流行。一個(gè)嵌入式 Linux 系統(tǒng)從軟件的角度看通常能分為四個(gè)層次： 1. 引導(dǎo)程序加載。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。特定于嵌入式開(kāi)發(fā)板的制定內(nèi)核及內(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)。

2、通常用 ram disk 來(lái)作為 root fs。4. 用戶(hù)應(yīng)用程序。特定于用戶(hù)的應(yīng)用程序。有時(shí)在用戶(hù)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(hù)界面。常用的嵌入式 GUI 有：Micro視窗系統(tǒng) 和 MiniGUI 。引言引導(dǎo)程序加載是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段軟件代碼。在嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)在上電或復(fù)位時(shí)通常都從地址0 x00000000 處開(kāi)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。 8.1 Boot Loader的基本概念簡(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，我們能初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，

3、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。8.1.1 Boot Loader的相關(guān)設(shè)備和機(jī)制通常，Boot Loader 是嚴(yán)重地依賴(lài)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(hù)特定的Boot Loader 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。8.1.1 Boot Loader的相關(guān)設(shè)備和機(jī)制Bootloader是一段可執(zhí)行程序，完成的主要功能是將可執(zhí)行文件（一般是操作系統(tǒng)）搬移到內(nèi)存中，然后將控制權(quán)交給這段可執(zhí)行文件（操作系統(tǒng)

4、）。cpuloaderflashOSmemoryOSBoot Loader的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)1、 Boot Loader 所支持的 CPU 和嵌入式板每種不同的 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(lài)于 CPU 的體系結(jié)構(gòu)外，Boot Loader 實(shí)際上也依賴(lài)于具體的嵌入式板級(jí)設(shè)備的配置。Boot Loader的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)2、 Boot Loader 的安裝媒介（Installation Medium）系統(tǒng)加電或復(fù)位后，所有的 CPU 通常都從某個(gè)

5、由 CPU 制造商預(yù)先安排的地址上取指令固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備的典型空間分配結(jié)構(gòu)Boot Loader的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)3、用來(lái)控制 Boot Loader 的設(shè)備或機(jī)制主機(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(hù)控制字符等Boot Loader的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)經(jīng)典2410開(kāi)發(fā)平臺(tái)硬件UART網(wǎng)卡NANDSDRAMS3C2410JTAGBoot Loader的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)4. Boot Loader 的啟動(dòng)過(guò)程是單階段（Single Stage）還是多階段（Multi-Stage通常多階段的 Boot Loader

6、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Boot Loader的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)5. Boot Loader 的操作模式 (Operation Mode）大多數(shù) Boot Loader 都包含兩種不同的操作模式：?jiǎn)?dòng)加載模式和下載模式Boot Loader 的操作模式啟動(dòng)加載模式嵌入式產(chǎn)品發(fā)布的時(shí)候，Bootloader必須工作在該模式下。這種情況下，Bootloader必須完成硬件自檢、配置，并從Flash中將內(nèi)核拷貝到SDRAM中，并跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核入口，實(shí)現(xiàn)自

7、啟動(dòng)，而不需要人為的干預(yù)。Boot Loader 的操作模式下載模式對(duì)研發(fā)人員來(lái)說(shuō)，Bootloader一般需要工作在這種模式下，特別是調(diào)試內(nèi)核或者Bootloader本身的時(shí)候。通過(guò)串口終端與Bootloader進(jìn)行交互，可以操作系統(tǒng)硬件。比如通過(guò)網(wǎng)口或者串口下載內(nèi)核，燒寫(xiě)Flash等等。Boot Loader的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)6. BootLoader 與主機(jī)之間進(jìn)行文件傳輸所用的通信設(shè)備及協(xié)議1、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 xmodemymodemzmodem 協(xié)議中的一種。2、通過(guò)以太網(wǎng)連接并借助 TFTP 協(xié)議來(lái)下載文件。8.1.2 Boot Loader 的主要任務(wù)與

8、典型結(jié)構(gòu)框架Boot Loader的總目標(biāo)就是正確地調(diào)用內(nèi)核來(lái)執(zhí)行由于 Boot Loader 的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于 CPU 的體系結(jié)構(gòu)，因此大多數(shù) Boot Loader都分為 stage1 和 stage2 兩大部分。依賴(lài)于 CPU 體系結(jié)構(gòu)的代碼，比如設(shè)備初始化代碼等，通常都放在 stage1 中，而且通常都用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到短小精悍的目的。而 stage2 則通常用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)給復(fù)雜的功能，而且代碼會(huì)具有更好的可讀性和可移植性。Boot Loader 的 階段1（stage1）1、硬件設(shè)備初始化2、為加載 Boot Loader 的 stage2 準(zhǔn)備 RAM 空間3、拷貝

9、 Boot Loader 的 stage2 到 RAM 空間中4、設(shè)置好堆棧5、跳轉(zhuǎn)到 stage2 的 C 入口點(diǎn)基本的硬件初始化屏蔽所有的中斷設(shè)置 CPU 的速度和時(shí)鐘頻率RAM 初始化初始化 LED關(guān)閉 CPU 內(nèi)部指令數(shù)據(jù) cache加載 stage2 準(zhǔn)備 RAM 空間分配的空間大小最好是 memory page 大小(通常是 4KB)的倍數(shù)。確保所安排的地址范圍是可讀寫(xiě)的 RAM 空間將所安排的 RAM 空間范圍進(jìn)行清零操作拷貝 stage2 到 RAM 中stage2 的可執(zhí)行映象在固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備的存放起始地址和終止地址 RAM 空間的起始地址設(shè)置堆棧指針 sp堆棧指針的設(shè)置是為了

10、執(zhí)行 C 語(yǔ)言代碼作好準(zhǔn)備，通常把sp的值設(shè)置為state2_end-4系統(tǒng)物理內(nèi)存布局如下圖所示跳轉(zhuǎn)到 stage2 的 C 入口點(diǎn)在ARM 系統(tǒng)中，可以通過(guò)修改 PC 寄存器為合適的地址來(lái)實(shí)現(xiàn)Boot Loader 的 階段2（stage2）1、初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備2、檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存映射（memory map）3、將kernel映像和根文件系統(tǒng)映像從Flash上讀到RAM空間中4、為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)5、調(diào)用內(nèi)核初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備初始化至少一個(gè)串口初始化計(jì)時(shí)器等檢測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)存映射（memory map）所謂內(nèi)存映射就是指在整個(gè) 4GB 物理地址空間中有哪些地址范圍被分配用

11、來(lái)尋址系統(tǒng)的 RAM 單元內(nèi)存映射的描述內(nèi)存映射的檢測(cè) 加載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像規(guī)劃內(nèi)存占用的布局(1)內(nèi)核映像所占用的內(nèi)存范圍(2)根文件系統(tǒng)所占用的內(nèi)存范圍從 Flash 上拷貝設(shè)置內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù)在嵌入式 Linux 系統(tǒng)中，通常需要由 Boot Loader 設(shè)置的常見(jiàn)啟動(dòng)參數(shù)有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等調(diào)用內(nèi)核Boot Loader 調(diào)用 Linux 內(nèi)核的方法是直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的第一條指令處，也即直接跳轉(zhuǎn)到 MEM_START0 x8000 地址處。調(diào)用內(nèi)核內(nèi)核啟動(dòng)的條件（1）CPU寄存器設(shè)置

12、R0=0;R1=機(jī)器類(lèi)型ID；R2=啟動(dòng)參數(shù)標(biāo)記列表在RAM中的起始基地址（2）CPU模式必須禁止中斷（IRQs和FIQs）；CPU必須使用SVC模式 ；（3）cache和MMU的設(shè)置MMU必須關(guān)閉；指令cache可以打開(kāi)也可以關(guān)閉；數(shù)據(jù)cache必須關(guān)閉 8.2 Boot Loader(vivi)的代碼分析Vivi 是韓國(guó)MIZI公司專(zhuān)門(mén)為三星公司S3C24XX芯片設(shè)計(jì)的Boot Loader。源碼樹(shù)如下：Vivi-+-arch-+-s3c24xx|-Documentation|-drivers-+-serial| -mtd-+-maps| |-nor| -nand|-include-+-p

13、latform| |-mtd| proc|-init|-lib-+-priv_data|-scripts-+-lxdialog|-test|-util8.2 Boot Loader(vivi)的代碼分析階段1階段1從程序arch/s3c24xx/head.S開(kāi)始，按照head.S的代碼執(zhí)行順序，依次完成了下面幾個(gè)任務(wù)：（1）關(guān)閉看門(mén)狗（2）禁止所有中斷（3）初始化系統(tǒng)時(shí)鐘（4）初始化內(nèi)存控制寄存器（5）檢查是否從掉電模式喚醒（6）點(diǎn)亮所有LED（7）初始化UART0，設(shè)置工作方式、波特率等（8）跳到內(nèi)存測(cè)試函數(shù)（9）如果定義以NAND Flash方式啟動(dòng)，則將vivi所有代碼從NAND Fla

14、sh復(fù)制到SDRAM中（10）跳到Boot Loader的階段2運(yùn)行。8.2 Boot Loader(vivi)的代碼分析階段2階段2從init/main.c中的main函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行，一次完成：（1）reset_handler,內(nèi)存清零(lib/reset_handle.c)（2）board_init(),初始化定時(shí)器和設(shè)置GPIO引腳功能(arch/s3c24xx/smdk.c)（3）建立頁(yè)表和啟動(dòng)MMU(/arch/s3c24xx/mmu.c)mem_map_init();mmu_init();（4）heap_init,申請(qǐng)內(nèi)存區(qū)域（5）mtd_dev_init,掃描所使用的NAND Fl

15、ash型號(hào)，構(gòu)造MTD設(shè)備。U-Boot簡(jiǎn)介 1999年由德國(guó)DENX軟件工程中心的Wolfgang Denk發(fā)起，全稱(chēng)Universal Bootloader。特點(diǎn)：支持多種硬件構(gòu)架：包括ARM、x86、PPC、MIPS、m68k、NIOS、Blackfin支持多種操作系統(tǒng)：包括Linux、VxWorks、NETBSD、QNX、RTEMS、ARTOS、LynxOS支持多達(dá)216種以上的開(kāi)發(fā)板開(kāi)放源代碼，遵循GPL條款易于移植、調(diào)試官方網(wǎng)站：http:/www.denx.de/wiki/U-Boot/WebHomeU-Boot 啟動(dòng)分析U-Boot目錄結(jié)構(gòu)board 目標(biāo)板相關(guān)文件，主要包含硬

16、件初始化、SDRAM初始化common 獨(dú)立于處理器體系結(jié)構(gòu)的通用代碼 cpu 與處理器相關(guān)的文件，包含cpu初始化、串口初始化、中斷初始化等代碼doc U-Boot的說(shuō)明文檔drivers 設(shè)備驅(qū)動(dòng)代碼，如Flash驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)、串口驅(qū)動(dòng)等f(wàn)s U-Boot支持的文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，如cramfs、fat、ext2、jffs2等include U-Boot使用的頭文件，包括不同硬件構(gòu)架的頭文件lib_xxx 處理器相關(guān)文件，如我們要使用的lib_arm，與arm體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件net 網(wǎng)絡(luò)功能的上層文件，實(shí)現(xiàn)各種協(xié)議，如nfs、tftp、arp等U-Boot 啟動(dòng)分析U-Boot啟動(dòng)流程之s

17、tage1第一階段的代碼位于cpu/arm920t/start.S中，依次完成以下功能：1、系統(tǒng)上電，進(jìn)入svc模式2、關(guān)閉看門(mén)狗，禁止所有中斷3、進(jìn)行初級(jí)硬件初始化4、將自身代碼拷貝到SDRAM中5、設(shè)置堆棧6、清空bss段7、跳轉(zhuǎn)到C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的stage2中U-Boot 啟動(dòng)分析程序跳轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)ldr pc, _start_armboot _start_armboot: .word start_armboot_start_armboot和start_armboot都是symbol，程序鏈接時(shí)由連接器使用。上面程序的第二行表示在symbol處放置一個(gè)值，這個(gè)值就是start_armboot的鏈

18、接地址，也是程序代碼存放的地址。將這個(gè)地址放入PC中，從而實(shí)現(xiàn)程序的跳轉(zhuǎn)。U-Boot 啟動(dòng)分析U-Boot啟動(dòng)流程之stage2start_armboot 函數(shù)是c語(yǔ)言的入口函數(shù)，定義在lib_arm/board.c中。調(diào)用初始化序列：init_fnc_t *init_sequence = board_init, / board/up2410/up2410.c中實(shí)現(xiàn)，主要更新GPIO和PLL設(shè)置 還包括內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)存放地址設(shè)置、ARCH_NUMBER設(shè)置interrupt_init, /在cpu/arm920t/s3c24x0/interrupts.c實(shí)現(xiàn)，初始化時(shí)鐘中斷env_init,

19、/在common/env_nand.c中實(shí)現(xiàn)，設(shè)置缺省環(huán)境變量init_baudrate, /在lib_arm/board.c中實(shí)現(xiàn)，設(shè)置環(huán)境變量中的串口波特率serial_init, /在common/serial.c中實(shí)現(xiàn)，初始化串口（硬件層面）display_banner, /在lib_arm/board.c中實(shí)現(xiàn)，打印U-Boot的bannerdram_init, / 在board/up2410/up2410.c中實(shí)現(xiàn)，初始化SDRAMNULL,;U-Boot 啟動(dòng)分析U-Boot啟動(dòng)流程之stage2進(jìn)入無(wú)限循環(huán)：for (;) main_loop ();main_loop在comm

20、on/main.c中實(shí)現(xiàn)。它通過(guò)串口和U-Boot進(jìn)行交互，以便引導(dǎo)內(nèi)核或進(jìn)行其他參數(shù)的修改、設(shè)置。U-Boot 啟動(dòng)分析U-Boot啟動(dòng)Linux內(nèi)核（1/3）ARM Linux Kernel Boot Requirements ：U-Boot 啟動(dòng)分析設(shè)置machine type number定義在include/asm-arm/mach-types.h中#define MACH_TYPE_SMDK2410 193賦值在board_init函數(shù)中g(shù)d-bd-bi_arch_number = MACH_TYPE_SMDK2410;把該值設(shè)置到環(huán)境變量中。U-Boot 啟動(dòng)分析U-Boot啟動(dòng)

21、Linux內(nèi)核（2/3）do_bootm_linux函數(shù)，在lib_arm/armlinux.c中實(shí)現(xiàn)。由u-boot命令do_bootm函數(shù)調(diào)用 (common/cmd_bootm.c)設(shè)置內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)：setup_start_tag (bd);setup_serial_tag (¶ms);setup_revision_tag (¶ms);setup_memory_tags (bd);setup_commandline_tag (bd, commandline);setup_videolfb_tag (gd_t *) gd);setup_end_tag (bd);內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)

22、存放地址：0 x30000100，在board_init函數(shù)(board/uptech_2410class/smdk2410.c) 中設(shè)置。U-Boot 啟動(dòng)分析U-Boot啟動(dòng)Linux內(nèi)核（3/3）theKernel函數(shù)指針：聲明：void (*theKernel)(int zero, int arch, uint params);賦值：theKernel = (void (*)(int, int, uint)ntohl(hdr-ih_ep);U-Boot 啟動(dòng)分析跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核入口處前面已經(jīng)從環(huán)境變量中讀出了machine type number，設(shè)置好了內(nèi)核啟動(dòng)所需參數(shù)，只需要跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核入

23、口處就可以了：theKernel (0, machid, bd-bi_boot_params);根據(jù)AAPCS，r0、r1和r2中分別放置了0、machid和啟動(dòng)參數(shù)的地址。U-Boot 啟動(dòng)分析一、建立板級(jí)支持包BOARD支持：目前U-boot支持上百種不同架構(gòu)CPU生產(chǎn)廠(chǎng)商的開(kāi)發(fā)板，如Marvell、atmel、altera、pxa255、omap、smdk2410等。根據(jù)S3C2410處理器，在board目錄下依照smdk2410目錄配置，創(chuàng)建自己開(kāi)發(fā)板的板級(jí)資源目錄，相應(yīng)的在include/configs目錄下創(chuàng)建頭文件。修改規(guī)則文件Makfile，添加開(kāi)發(fā)板編譯參數(shù)支持。U-Boot

24、 移植的一般步驟二、添加外設(shè)支持添加存儲(chǔ)設(shè)備支持：NANDFLASH啟動(dòng)支持添加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持DM9000A添加USB接口支持添加文件系統(tǒng)支持U-Boot 移植的一般步驟三、設(shè)置環(huán)境變量U-Boot中提供了豐富的命令，smdk2410開(kāi)發(fā)板配置了一部分命令，我們需要通過(guò)相應(yīng)的環(huán)境變量為自己的開(kāi)發(fā)板增加一些命令： #define CONFIG_CMD_NAND#define CONFIG_CMD_PING#define CONFIG_CMD_DLF#define CONFIG_CMD_ENV#define CONFIG_CMD_NET#define CONFIG_BOOTDELAY 3#defin

25、e CFG_LOAD_ADDR 0 x30008000 #define CFG_TFTP_LOAD_ADDR 0 x30008000 以上環(huán)境變量在開(kāi)發(fā)板的頭文件中定義U-Boot 移植的一般步驟四、編譯U-boot配置開(kāi)發(fā)板：# make uptech_2410class_configConfiguring for uptech_2410class board. 編譯：# make 編譯成功后會(huì)在源碼目錄下生成U-Boot 二進(jìn)制文件u-boot.binU-Boot 移植的一般步驟五、燒寫(xiě)U-boot安裝PC機(jī)端GIVEIO驅(qū)動(dòng)，使用并口JTAG連接ARM設(shè)備，利用sjf2410.exe軟件

26、燒寫(xiě)u-boot.bin文件U-Boot 移植的一般步驟U-Boot的使用（1/3）1、printenv 打印環(huán)境變量打印U-Boot的環(huán)境變量，包括串口波特率、ip地址、mac地址、內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)、服務(wù)器ip地址等等。2、setenv 設(shè)置環(huán)境變量對(duì)環(huán)境變量的值進(jìn)行設(shè)置，保存在SDRAM中，但不寫(xiě)入Flash。這樣系統(tǒng)掉電以后設(shè)置的環(huán)境變量就不存在了。3、saveenv 保存環(huán)境變量將環(huán)境變量寫(xiě)入Flash，永久保存。掉電以后不消失。U-Boot 的使用U-Boot的使用（2/3）4、ping 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)命令ping命令用于測(cè)試目標(biāo)板的網(wǎng)絡(luò)是否通暢。格式：ping + ipaddr5、tftp 通過(guò)tftp協(xié)議下載文件至SDRAM將tftp服務(wù)器上的文件下載到指定的地址，速度快。格式：tftp + 存放地址 + 文件名6、loadb 通過(guò)串口下載二進(jìn)制文件在目標(biāo)板不具備網(wǎng)絡(luò)功能的時(shí)候，可以配合超級(jí)終端下載二進(jìn)制文件至內(nèi)存中。缺點(diǎn)是速度慢。格式：loadb + 存放地址U-Boot 的使用U-Boot的使用（3/3）7、nandflash