第10章 Bootloader 設(shè)計基礎(chǔ)

第10章Bootloader設(shè)計基礎(chǔ)

10.1Bootloader概述Bootloader，啟動引導(dǎo)程序，又叫引導(dǎo)加載程序，功能強大的Bootloader也就直接叫做板級支持包（BSP,BoardSupportPacket）或者固件(Firmware)。10.1.1Bootloader的作用

Bootloader是在嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序，也是系統(tǒng)開機后執(zhí)行的第一段程序。通過這段小程序，可以初始化硬件設(shè)備建立內(nèi)存空間將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境設(shè)置成一個合適的狀態(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。Bootloader是依賴于底層硬件而實現(xiàn)的，因此建立一個通用的嵌入式系統(tǒng)Bootloader幾乎是不可能的。在嵌入式系統(tǒng)中，Bootloader對嵌入式設(shè)備中的主要部件如CPU、SDRAM、FLASH、串口等進行了初始化可以使用Bootloader通過串口下載各種文件到設(shè)備的SDRAM中或者燒錄Flash，然后將操作系統(tǒng)內(nèi)核讀入到內(nèi)存中來或者直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點，從而實現(xiàn)操作系統(tǒng)的引導(dǎo)。Bootloader從第一條指令跳轉(zhuǎn)后，就開始初始化各種最重要的硬件，比如CPU的工作頻率、定時器、中斷、看門狗、檢測RAM大小和Flash等。一般，硬件初始化的這段程序是用匯編語言編寫的，其后就用C語言編寫?？傮w上Bootloader主要完成以下工作：初始化CPU速度；初始化內(nèi)存，包括啟用內(nèi)存庫，初始化內(nèi)存配置寄存器等；初始化中斷控制器，在系統(tǒng)啟動時，關(guān)閉中斷，關(guān)閉看門狗；初始化串行端口（如果在目標(biāo)上有的話）；關(guān)閉指令/數(shù)據(jù)高速緩存；設(shè)置堆棧指針；設(shè)置參數(shù)區(qū)域并構(gòu)造參數(shù)結(jié)構(gòu)和標(biāo)記,即引導(dǎo)參數(shù)；執(zhí)行POST（上電自檢）來標(biāo)識存在的設(shè)備并報告有何問題；為電源管理提供掛起/恢復(fù)支持；傳輸操作系統(tǒng)內(nèi)核鏡像文件到目標(biāo)機。也可以將操作系統(tǒng)內(nèi)核鏡像文件事先存放在Flash中，這樣就不需要Bootloader和主機傳輸操作系統(tǒng)內(nèi)核鏡像文件，這通常是在做成產(chǎn)品的情況下使用。而一般在開發(fā)過程中，為了調(diào)試內(nèi)核的方便，不將操作系統(tǒng)內(nèi)核鏡像文件固化在Flash中，這就需要主機和目標(biāo)機進行文件傳輸；跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的開始，在此又分為ROM啟動和RAM啟動。所謂ROM啟動就是用XIP(executeInPlace就地執(zhí)行)技術(shù)直接在Flash中執(zhí)行操作系統(tǒng)鏡像文件；所謂RAM啟動就是指把內(nèi)核鏡像從Flash復(fù)制到RAM中，然后再將PC指針跳轉(zhuǎn)到RAM中的操作系統(tǒng)啟動地址。在嵌入式Linux軟件系統(tǒng)的開發(fā)中，一般將軟件分為以下幾個部分:啟動引導(dǎo)程序(Bootloader)操作系統(tǒng)內(nèi)核(OSKernel)根文件系統(tǒng)(FileSystem)圖形窗口系統(tǒng)(GUI)應(yīng)用程序(AP).前三部分是一個可運行的嵌入式系統(tǒng)必不可少的，它們在開發(fā)的過程中，被分別獨立地編譯鏈接或打包為一個二進制目標(biāo)文件，然后下載（燒錄）到嵌入式系統(tǒng)的ROM（一般是Flash）中。在Bootloader階段，也提供了對Flash設(shè)備的分區(qū)格式化的支持，其空間分配通常如圖所示。10.1.2Bootloader的工作模式對于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員而言，Bootloader通常包含以下兩種不同的工作模式:啟動加載（Bootloading）模式－－正常啟動模式（自主模式）（Bootloader將操作系統(tǒng)從目標(biāo)機上的固態(tài)存儲設(shè)備加載到RAM中運行。沒有用戶的介入和操作。）下載（Downloading）模式－－提供給開發(fā)人員或者技術(shù)支持人員使用

（Bootloader通過串口或網(wǎng)絡(luò)從主機下載內(nèi)核映像、根文件系統(tǒng)映像、升級軟件等文件，一般先保存到RAM再寫入Flash等存儲設(shè)備。）10.1.3Bootloader的啟動流程

分為stage1和stage2兩個階段Stage1:一般依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼比如設(shè)備初始化代碼等，都放在這一階段；通常都用匯編語言來實現(xiàn)，以達(dá)到短小精悍且啟動快的目的；stage2:通常用C語言來實現(xiàn)這樣可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的功能

（比如串口、以太網(wǎng)接口的支持等）

Bootloader的Stage11.

硬件設(shè)備初始化

(屏蔽所有中斷、關(guān)閉看門狗、設(shè)置CPU速度和時鐘頻率、RAM初始化、關(guān)閉指令/數(shù)據(jù)cache)；2.

為加載Bootloader的stage2準(zhǔn)備RAM空間

(為獲得更快的執(zhí)行速度,stage2加載到RAM空間，檢測壞塊)；3.

拷貝Bootloader的stage2到RAM空間中

(確定stage2的可執(zhí)行映像在固態(tài)存儲設(shè)備的存放起始地址和大小，以及RAM空間的起始地址)；4.

設(shè)置好堆棧

（為執(zhí)行c語言代碼做好準(zhǔn)備）5.跳轉(zhuǎn)到stage2的C入口點main()函數(shù)處（vivi中利用兩行代碼實現(xiàn)：blmainmovpc,#FLASH_BASE若main返回則又重啟）Bootloader的stage2

1.初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備（比如串口初始化，可以輸出打印信息）2.檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射(memorymap)（哪些地址范圍被分配用來尋址系統(tǒng)的RAM）3.將kernel映像和根文件系統(tǒng)映像從flash讀到RAM空間（內(nèi)核映像被復(fù)制到從MEM_START+0x8000基地址開始的大約1MB的內(nèi)存范圍內(nèi)，根文件系統(tǒng)映像被復(fù)制到MEM_START+0x00100000開始的內(nèi)存。從MEM_START到MEM_START+0x8000這段32KB的內(nèi)存放置一些全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如啟動參數(shù)和內(nèi)核頁表等。）4.為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù)（Linux2.4版本后內(nèi)核以標(biāo)記列表的形式來傳遞啟動參數(shù)。每個標(biāo)記列表由被傳遞參數(shù)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)值數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成。啟動參數(shù)標(biāo)記列表以標(biāo)記ATAG_CORE開始，以ATAG_NONE結(jié)束。）5.調(diào)用內(nèi)核（跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的第一條指令處，即MEM_START+0x8000處。）10.2S3C2410平臺下Linux的BootloaderViviU-BOOT10.2S3C2410平臺下Linux的Bootloader1.vivi簡介vivi是由韓國mizi公司為ARM處理器系列設(shè)計的一個bootloader。它同樣支持啟動加載模式和下載工作模式。在下載模式下，vivi為用戶提供一個命令行人機接口，通過這個人機接口可以使用vivi提供的一些命令。如果嵌入式系統(tǒng)沒有鍵盤和顯示，那么可以利用vivi中的串口，將其和宿主機連接起來利用宿主機中的串口軟件（如windows中的超級終端或者Linux中的minicom）來控制。vivi常用的命令

Load:下載程序到存儲器中(Flash或者RAM中)Part:用于對MTD分區(qū)進行操作。

MTD(內(nèi)存技術(shù)設(shè)備)是用于訪問memory設(shè)備（ROM、flash）的Linux的子系統(tǒng)。MTD的主要目的是為了使新的memory設(shè)備的驅(qū)動更加簡單，為此它在硬件和上層之間提供了一個抽象的接口。MTD的所有源代碼在/drivers/mtd子目錄下。

Bon:用于對bon分區(qū)(nandflash設(shè)備的一種簡單的分區(qū)管理方式)進行操作Param:用于對bootloader的參數(shù)進行操作Boot:用于引導(dǎo)linuxkernel啟動Flash:管理Flash。如刪除數(shù)據(jù)。ViVi代碼包括以下幾個目錄，共200多個文件arch：包含所有ViVi支持的目標(biāo)板的子目錄。如S3C2410。init：只包含main.c和version.c。ViVi從main函數(shù)開始執(zhí)行。lib：一些平臺公共的接口函數(shù),如延時udelay()等。drivers：引導(dǎo)內(nèi)核需要的設(shè)備的驅(qū)動程序（MTD和串口）。include：頭文件的公共目錄。如S3C2410.h和Platform/smdk2410.h分別定義了S3C2410CPU的寄存器和開發(fā)板資源配置參數(shù)。2.vivi文件結(jié)構(gòu)vivi的配置和嵌入式Linux內(nèi)核一樣，可以采用菜單化的形式進行。其步驟主要如下：1、#makedistclean。清除一些早先生成的無用的目標(biāo)文件。2、#makemenuconfig。根據(jù)菜單中的信息進行配置，完畢后，保存退出。3、#make開始編譯

3.vivi的配置和編譯4.vivi第一階段的分析vivi的第一階段主要完成了依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)硬件初始化，包括禁止中斷、初始化串口、復(fù)制第二階段到RAM中等。由于這些代碼是和硬件緊密相關(guān)的,因此要求讀者在閱讀時對照S3C2410處理器的數(shù)據(jù)手冊,查閱相關(guān)的寄存器的描述，以便更好地理解。這些匯編代碼全部就集中在vivi\arch\s3c2410目錄下的head.S這一個匯編文件中，當(dāng)然還有相關(guān)的頭文件。vivi的第二階段的入口就是init/main.c。按照源代碼的組織流程，根據(jù)模塊化劃分的原則，共分為8個功能模塊即八個步驟，在源代碼的注釋中以step非常清晰的給出了區(qū)分。

5.vivi第二階段的分析第1步：vivi從main()函數(shù)開始執(zhí)行，函數(shù)通過putstr(vivi_bannner)打印出vivi的版本。

第2步：主要是初始化GPIO。根據(jù)芯片的數(shù)據(jù)手冊把所有的初始值設(shè)定，在這里利用set_gpios這個函數(shù)就可以完成初始化了。第3步：進行內(nèi)存映射初始化和內(nèi)存管理單元（MMU）的初始化工作。第4步：初始化堆（heap），內(nèi)存會發(fā)生變化。實現(xiàn)動態(tài)內(nèi)存分配策略。函數(shù)heap_init（）。第5步：初始化mtd設(shè)備。mtd_dev_init（）。至此初始化設(shè)備的任務(wù)完成。下面為引導(dǎo)操作系統(tǒng)作準(zhǔn)備。第6步：配置參數(shù)，主要是init_priv_data函數(shù)。將啟動內(nèi)核的命令參數(shù)取出并存放在指定的內(nèi)存中。第7步：提供vivi人機接口的各種命令。主要函數(shù)有init_builtin_cmds（）和add_command（）。第8步：進入Bootloader的兩種模式之一。（人機接口的下載模式或直接引導(dǎo)操作系統(tǒng)。）核心函數(shù)是boot_or_vivi（）10.2.2U-bootU-Boot，全稱UniversalBootloader，是遵循GPL條款的開放源碼項目它還支持NetBSD,VxWorks,QNX,RTEMS,ARTOS,LynxOS等嵌入式操作系統(tǒng)。其目前主要支持的目標(biāo)操作系統(tǒng)有OpenBSD,NetBSD,FreeBSD,4.4BSD,Linux,SVR4,Esix,Solaris,Irix,SCO,Dell,NCR,VxWorks,LynxOS,pSOS,QNX,RTEMS,ARTOS等，因此功能比較強大，這也是U-Boot中Universal的一層含義。10.2.2U-bootU-Boot的主要特點有：①開放源碼；

②支持多種嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，如Linux、NetBSD,VxWorks,QNX,RTEMS,ARTOS,LynxOS；

③支持多個處理器系列，如PowerPC、ARM、x86、MIPS、XScale；

④較高的可靠性和穩(wěn)定性；

④較高的可靠性和穩(wěn)定性；

⑤高度靈活的功能設(shè)置，適合U-Boot調(diào)試、操作系統(tǒng)不同引導(dǎo)要求、產(chǎn)品發(fā)布等；

⑥豐富的設(shè)備驅(qū)動源碼，如串口、以太網(wǎng)、SDRAM、FLASH、LCD、NVRAM、EEPROM、RTC、鍵盤等；

⑦較為豐富的開發(fā)調(diào)試文檔與強大的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持；10.2.2U-boot常用命令:Help/?Bdinfosetenvprintenvsaveenvmwmdmmflinfoerase[起始地址結(jié)束地址].cp[源地址目標(biāo)地址大小]imi[起始地址]bootm[起始地址]tftboot[起始地址鏡像名]reset10.2.2U-bootU-boot文件結(jié)構(gòu)U-boot代碼采用了一種高度模塊化的編程方式,與移植樹有關(guān)的有以下幾個目錄.board：這個目錄存放了所有U-boot支持的目標(biāo)板的子目錄,如board/smdk2410/*就是我們說關(guān)心的.要將U-boot移植到自己的s3c2410x目標(biāo)板上,必須參考這個目錄下的內(nèi)容,比如對比Flash以及Flash寬度和大小的定制鄧就要修改其中的mon：獨立于處理器體系結(jié)構(gòu)的通用代碼，如內(nèi)存大小探測與故障檢測；

cpu：與處理器相關(guān)的文件。如mpc8xx子目錄下含串口、網(wǎng)口、LCD驅(qū)動及中斷初始化等文件；

10.2.2U-bootdriver：通用設(shè)備驅(qū)動，如CFIFLASH驅(qū)動(目前對INTELFLASH支持較好)fs：這個目錄中存放了U-boot支持的文件系統(tǒng).

examples：可在U-Boot下運行的示例程序；如hello_world.c,timer.c；Include：U-Boot頭文件；這個目錄存放頭文件的公共目錄,其中include/configs/smdk2410.h定義了所有和S3C2410X相關(guān)的資源的配置參數(shù),我們往往只需修改這個文件就可以配置目標(biāo)板的參數(shù),如波特率、引導(dǎo)參數(shù)、物理內(nèi)存映射等。

10.2.2U-bootlib_xxx：處理器體系相關(guān)的文件，如lib_ppc,lib_arm：目錄分別包含與PowerPC、ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件；net：與網(wǎng)絡(luò)功能相關(guān)的文件目錄，如bootp,nfs,tftp；post:上電自檢文件目錄。尚有待于進一步完善；rtcrtc:驅(qū)動程序；tools:用于創(chuàng)建U-BootS-RECORD和BIN鏡像文件的工具；10.3其他常見的Bootloader1.WinCE的BootloaderNboot和Eboot是WinCE的Bootloader。Nboot是n