嵌入式系统Boot Loader启动全过程详解.docx

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嵌入式系统BootLoader启动全过程详解

1.引言

在专用的嵌入式板子运行GNU/Linux系统已经变得越来越流行。

一个嵌入式Linux系统从软件的角度看通常可以分为四个层次：

1.引导加载程序。

包括固化在固件（firmware）中的boot代码（可选），和BootLoader两大部分。

2.Linux内核。

特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。

3.文件系统。

包括根文件系统和建立于Flash内存设备之上文件系统。

通常用ramdisk来作为rootfs。

4.用户应用程序。

特定于用户的应用程序。

有时在用户应用程序和内核层之间可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。

常用的嵌入式GUI有：

MicroWindows和MiniGUI懂。

引导加载程序是系统加电后运行的第一段软件代码。

回忆一下PC的体系结构我们可以知道，PC机中的引导加载程序由BIOS（其本质就是一段固件程序）和位于硬盘MBR中的OSBootLoader（比如，LILO和GRUB等）一起组成。

BIOS在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘MBR中的BootLoader读到系统的RAM中，然后将控制权交给OSBootLoader。

BootLoader的主要运行任务就是将内核映象从硬盘上读到RAM中，然后跳转到内核的入口点去运行，也即开始启动操作系统。

而在嵌入式系统中，通常并没有像BIOS那样的固件程序（注，有的嵌入式CPU也会内嵌一段短小的启动程序），因此整个系统的加载启动任务就完全由BootLoader来完成。

比如在一个基于ARM7TDMIcore的嵌入式系统中，系统在上电或复位时通常都从地址0x00000000处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader程序。

本文将从BootLoader的概念、BootLoader的主要任务、BootLoader的框架结构以及BootLoader的安装等四个方面来讨论嵌入式系统的BootLoader。

2.BootLoader的概念

简单地说，BootLoader就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。

通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。

通常，BootLoader是严重地依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式世界。

因此，在嵌入式世界里建立一个通用的BootLoader几乎是不可能的。

尽管如此，我们仍然可以对BootLoader归纳出一些通用的概念来，以指导用户特定的BootLoader设计与实现。

1.BootLoader所支持的CPU和嵌入式板

每种不同的CPU体系结构都有不同的BootLoader。

有些BootLoader也支持多种体系结构的CPU，比如U-Boot就同时支持ARM体系结构和MIPS体系结构。

除了依赖于CPU的体系结构外，BootLoader实际上也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。

这也就是说，对于两块不同的嵌入式板而言，即使它们是基于同一种CPU而构建的，要想让运行在一块板子上的BootLoader程序也能运行在另一块板子上，通常也都需要修改BootLoader的源程序。

2.BootLoader的安装媒介（InstallationMedium）

系统加电或复位后，所有的CPU通常都从某个由CPU制造商预先安排的地址上取指令。

比如，基于ARM7TDMIcore的CPU在复位时通常都从地址0x00000000取它的第一条指令。

而基于CPU构建的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备（比如：

ROM、EEPROM或FLASH等）被映射到这个预先安排的地址上。

因此在系统加电后，CPU将首先执行BootLoader程序。

下图1就是一个同时装有BootLoader、内核的启动参数、内核映像和根文件系统映像的固态存储设备的典型空间分配结构图。

图1固态存储设备的典型空间分配结构

3.用来控制BootLoader的设备或机制

主机和目标机之间一般通过串口建立连接，BootLoader软件在执行时通常会通过串口来进行I/O，比如：

输出打印信息到串口，从串口读取用户控制字符等。

4.BootLoader的启动过程是单阶段（SingleStage）还是多阶段（Multi-Stage）

通常多阶段的BootLoader能提供更为复杂的功能，以及更好的可移植性。

从固态存储设备上启动的BootLoader大多都是2阶段的启动过程，也即启动过程可以分为stage1和stage2两部分。

而至于在stage1和stage2具体完成哪些任务将在下面讨论。

5.BootLoader的操作模式（OperationMode）

大多数BootLoader都包含两种不同的操作模式：

"启动加载"模式和"下载"模式，这种区别仅对于开发人员才有意义。

但从最终用户的角度看，BootLoader的作用就是用来加载操作系统，而并不存在所谓的启动加载模式与下载工作模式的区别。

启动加载（Bootloading）模式：

这种模式也称为"自主"（Autonomous）模式。

也即BootLoader从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中运行，整个过程并没有用户的介入。

这种模式是BootLoader的正常工作模式，因此在嵌入式产品发布的时侯，BootLoader显然必须工作在这种模式下。

下载（Downloading）模式：

在这种模式下，目标机上的BootLoader将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机（Host）下载文件，比如：

下载内核映像和根文件系统映像等。

从主机下载的文件通常首先被BootLoader保存到目标机的RAM中，然后再被BootLoader写到目标机上的FLASH类固态存储设备中。

BootLoader的这种模式通常在第一次安装内核与根文件系统时被使用；此外，以后的系统更新也会使用BootLoader的这种工作模式。

工作于这种模式下的BootLoader通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。

像Blob或U-Boot等这样功能强大的BootLoader通常同时支持这两种工作模式，而且允许用户在这两种工作模式之间进行切换。

比如，Blob在启动时处于正常的启动加载模式，但是它会延时10秒等待终端用户按下任意键而将blob切换到下载模式。

如果在10秒内没有用户按键，则blob继续启动Linux内核。

6.BootLoader与主机之间进行文件传输所用的通信设备及协议

最常见的情况就是，目标机上的BootLoader通过串口与主机之间进行文件传输，传输协议通常是xmodem／ymodem／zmodem协议中的一种。

但是，串口传输的速度是有限的，因此通过以太网连接并借助TFTP协议来下载文件是个更好的选择。

此外，在论及这个话题时，主机方所用的软件也要考虑。

比如，在通过以太网连接和TFTP协议来下载文件时，主机方必须有一个软件用来的提供TFTP服务。

在讨论了BootLoader的上述概念后，下面我们来具体看看BootLoader的应该完成哪些任务。

3.BootLoader的主要任务与典型结构框架

在继续本节的讨论之前，首先我们做一个假定，那就是：

假定内核映像与根文件系统映像都被加载到RAM中运行。

之所以提出这样一个假设前提是因为，在嵌入式系统中内核映像与根文件系统映像也可以直接在ROM或Flash这样的固态存储设备中直接运行。

但这种做法无疑是以运行速度的牺牲为代价的。

从操作系统的角度看，BootLoader的总目标就是正确地调用内核来执行。

另外，由于BootLoader的实现依赖于CPU的体系结构，因此大多数BootLoader都分为stage1和stage2两大部分。

依赖于CPU体系结构的代码，比如设备初始化代码等，通常都放在stage1中，而且通常都用汇编语言来实现，以达到短小精悍的目的。

而stage2则通常用C语言来实现，这样可以实现给复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。

BootLoader的stage1通常包括以下步骤（以执行的先后顺序）：

∙硬件设备初始化。

∙为加载BootLoader的stage2准备RAM空间。

∙拷贝BootLoader的stage2到RAM空间中。

∙设置好堆栈。

∙跳转到stage2的C入口点。

BootLoader的stage2通常包括以下步骤（以执行的先后顺序）：

∙初始化本阶段要使用到的硬件设备。

∙检测系统内存映射（memorymap）。

∙将kernel映像和根文件系统映像从flash上读到RAM空间中。

∙为内核设置启动参数。

∙调用内核。

3.1BootLoader的stage1

3.1.1基本的硬件初始化

这是BootLoader一开始就执行的操作，其目的是为stage2的执行以及随后的kernel的执行准备好一些基本的硬件环境。

它通常包括以下步骤（以执行的先后顺序）：

1．屏蔽所有的中断。

为中断提供服务通常是OS设备驱动程序的责任，因此在BootLoader的执行全过程中可以不必响应任何中断。

中断屏蔽可以通过写CPU的中断屏蔽寄存器或状态寄存器（比如ARM的CPSR寄存器）来完成。

2．设置CPU的速度和时钟频率。

3．RAM初始化。

包括正确地设置系统的内存控制器的功能寄存器以及各内存库控制寄存器等。

4．初始化LED。

典型地，通过GPIO来驱动LED，其目的是表明系统的状态是OK还是Error。

如果板子上没有LED，那么也可以通过初始化UART向串口打印BootLoader的Logo字符信息来完成这一点。

5．关闭CPU内部指令／数据cache。

3.1.2为加载stage2准备RAM空间

为了获得更快的执行速度，通常把stage2加载到RAM空间中来执行，因此必须为加载BootLoader的stage2准备好一段可用的RAM空间范围。

由于stage2通常是C语言执行代码，因此在考虑空间大小时，除了stage2可执行映象的大小外，还必须把堆栈空间也考虑进来。

此外，空间大小最好是memorypage大小（通常是4KB）的倍数。

一般而言，1M的RAM空间已经足够了。

具体的地址范围可以任意安排，比如blob就将它的stage2可执行映像安排到从系统RAM起始地址0xc0200000开始的1M空间内执行。

但是，将stage2安排到整个RAM空间的最顶1MB（也即（RamEnd-1MB）-RamEnd）是一种值得推荐的方法。

为了后面的叙述方便，这里把所安排的RAM空间范围的大小记为：

stage2_size（字节），把起始地址和终止地址分别记为：

stage2_start和stage2_end（这两个地址均以4字节边界对齐）。

因此：

stage2_end＝stage2_start＋stage2_size

另外，还必须确保所安排的地址范围的的确确是可读写的RAM空间，因此，必须对你所安排的地址范围进行测试。

具体的测试方法可以采用类似于blob的方法，也即：

以memorypage为被测试单位，测试每个memorypage开始的两个字是否是可读写的。

为了后面叙述的方便，我们记这个检测算法为：

test_mempage，其具体步骤如下：

1．先保存memorypage一开始两个字的内容。

2．向这两个字中写入任意的数字。

比如：

向第一个字写入0x55，第2个字写入0xaa。

3．然后，立即将这两个字的内容读回。

显然，我们读到的内容应该分别是0x55和0xaa。

如果不是，则说明这个memorypage所占据的地址范围不是一段有效的RAM空间。

4．再向这两个字中写入任意的数字。

比如：

向第一个字写入0xaa，第2个字中写入0x55。

5．然后，立即将这两个字的内容立即读回。

显然，我们读到的内容应该分别是0xaa和0x55。

如果不是，则说明这个memorypage所占据的地址范围不是一段有效的RAM空间。

6．恢复这两个字的原始内容。

测试完毕。

为了得到一段干净的RAM空间范围，我们也可以将所安排的RAM空间范围进行清零操作。

3.1.3拷贝stage2到RAM中

拷贝时要确定两点：

（1）stage2的可执行映象在固态存储设备的存放起始地址和终止地址；

（2）RAM空间的起始地址。

3.1.4设置堆栈指针sp

堆栈指针的设置是为了执行C语言代码作好准备。

通常我们可以把sp的值设置为（stage2_end-4），也即在3.1.2节所安排的那个1MB的RAM空间的最顶端（堆栈向下生长）。

此外，在设置堆栈指针sp之前，也可以关闭led灯，以提示用户我们准备跳转到stage2。

经过上述这些执行步骤后，系统的物理内存布局应该如下图2所示。

3.1.5跳转到stage2的C入口点

在上述一切都就绪后，就可以跳转到BootLoader的stage2去执行了。

比如，在ARM系统中，这可以通过修改PC寄存器为合适的地址来实现。

图2bootloader的stage2可执行映象刚被拷贝到RAM空间时的系统内存布局

3.2BootLoader的stage2

正如前面所说，stage2的代码通常用C语言来实现，以便于实现更复杂的功能和取得更好的代码可读性和可移植性。

但是与普通C语言应用程序不同的是，在编译和链接bootloader这样的程序时，我们不能使用glibc库中的任何支持函数。

其原因是显而易见的。

这就给我们带来一个问题，那就是从那里跳转进main（）函数呢？

直接把main（）函数的起始地址作为整个stage2执行映像的入口点或许是最直接的想法。

但是这样做有两个缺点：

1）无法通过main（）函数传递函数参数；2）无法处理main（）函数返回的情况。

一种更为巧妙的方法是利用trampoline（弹簧床）的概念。

也即，用汇编语言写一段trampoline小程序，并将这段trampoline小程序来作为stage2可执行映象的执行入口点。

然后我们可以在trampoline汇编小程序中用CPU跳转指令跳入main（）函数中去执行；而当main（）函数返回时，CPU执行路径显然再次回到我们的trampoline程序。

简而言之，这种方法的思想就是：

用这段trampoline小程序来作为main（）函数的外部包裹（externalwrapper）。

下面给出一个简单的trampoline程序示例（来自blob）：

.text

.globl_trampoline

_trampoline:

blmain

/*ifmaineverreturnswejustcallitagain*/

b_trampoline

blmain的含义是：

执行main函数，并链接后面的第一条指令地址，即b_trampoline；如果函数有返回值，则继续执行后面第一条指令，即b_trampoline。

b_trampoline的含义是：

立即跳转到_trampoline并执行它。

可以看出，当main（）函数返回后，我们又用一条跳转指令重新执行trampoline程序――当然也就重新执行main（）函数，这也就是trampoline（弹簧床）一词的意思所在。

3.2.1初始化本阶段要使用到的硬件设备

这通常包括：

（1）初始化至少一个串口，以便和终端用户进行I/O输出信息；

（2）初始化计时器等。

在初始化这些设备之前，也可以重新把LED灯点亮，以表明我们已经进入main（）函数执行。

设备初始化完成后，可以输出一些打印信息，程序名字字符串、版本号等。

3.2.2检测系统的内存映射（memorymap）

所谓内存映射就是指在整个4GB物理地址空间中有哪些地址范围被分配用来寻址系统的RAM单元。

比如，在SA-1100CPU中，从0xC000,0000开始的512M地址空间被用作系统的RAM地址空间，而在SamsungS3C44B0XCPU中，从0x0c00,0000到0x1000,0000之间的64M地址空间被用作系统的RAM地址空间。

虽然CPU通常预留出一大段足够的地址空间给系统RAM，但是在搭建具体的嵌入式系统时却不一定会实现CPU预留的全部RAM地址空间。

也就是说，具体的嵌入式系统往往只把CPU预留的全部RAM地址空间中的一部分映射到RAM单元上，而让剩下的那部分预留RAM地址空间处于未使用状态。

由于上述这个事实，因此BootLoader的stage2必须在它想干点什么（比如，将存储在flash上的内核映像读到RAM空间中）之前检测整个系统的内存映射情况，也即它必须知道CPU预留的全部RAM地址空间中的哪些被真正映射到RAM地址单元，哪些是处于"unused"状态的。

（1）内存映射的描述

可以用如下数据结构来描述RAM地址空间中的一段连续（continuous）的地址范围：

typedefstructmemory_area_struct{

u32start;/*thebaseaddressofthememoryregion*/

u32size;/*thebytenumberofthememoryregion*/

intused;

}memory_area_t;

这段RAM地址空间中的连续地址范围可以处于两种状态之一：

（1）used=1，则说明这段连续的地址范围已被实现，也即真正地被映射到RAM单元上。

（2）used=0，则说明这段连续的地址范围并未被系统所实现，而是处于未使用状态。

基于上述memory_area_t数据结构，整个CPU预留的RAM地址空间可以用一个memory_area_t类型的数组来表示，如下所示：

memory_area_tmemory_map[NUM_MEM_AREAS]={

[0...（NUM_MEM_AREAS-1）]={

.start=0,

.size=0,

.used=0

},

};

（2）内存映射的检测

下面我们给出一个可用来检测整个RAM地址空间内存映射情况的简单而有效的算法：

/*数组初始化*/

for（i=0;i

memory_map[i].used=0;

/*firstwritea0toallmemorylocations*/

for（addr=MEM_START;addr

*（u32*）addr=0;

for（i=0,addr=MEM_START;addr

/*

*检测从基地址MEM_START+i*PAGE_SIZE开始,大小为

*PAGE_SIZE的地址空间是否是有效的RAM地址空间。

*/

调用3.1.2节中的算法test_mempage（）；

if（currentmemorypageisnotavalidrampage）{

/*noRAMhere*/

if（memory_map[i].used）

i++;

continue;

}

/*

*当前页已经是一个被映射到RAM的有效地址范围

*但是还要看看当前页是否只是4GB地址空间中某个地址页的别名？

*/

if（*（u32*）addr!

=0）{/*alias?

*/

/*这个内存页是4GB地址空间中某个地址页的别名*/

if（memory_map[i].used）

i++;

continue;

}

/*

*当前页已经是一个被映射到RAM的有效地址范围

*而且它也不是4GB地址空间中某个地址页的别名。

*/

if（memory_map[i].used==0）{

memory_map[i].start=addr;

memory_map[i].size=PAGE_SIZE;

memory_map[i].used=1;

}else{

memory_map[i].size+=PAGE_SIZE;

}

}/*endoffor（…）*/

在用上述算法检测完系统的内存映射情况后，BootLoader也可以将内存映射的详细信息打印到串口。

3.2.3加载内核映像和根文件系统映像

（1）规划内存占用的布局

这里包括两个方面：

（1）内核映像所占用的内存范围；

（2）根文件系统所占用的内存范围。

在规划内存占用的布局时，主要考虑基地址和映像的大小两个方面。

对于内核映像，一般将其拷贝到从（MEM_START＋0x8000）这个基地址开始的大约1MB大小的内存范围内（嵌入式Linux的内核一般都不操过1MB）。

为什么要把从MEM_START到MEM_START＋0x8000这段32KB大小的内存空出来呢？

这是因为Linux内核要在这段内存中放置一些全局数据结构，如：

启动参数和内核页表等信息。

而对于根文件系统映像，则一般将其拷贝到MEM_START+0x0010,0000开始的地方。

如果用Ramdisk作为根文件系统映像，则其解压后的大小一般是1MB。

（2）从Flash上拷贝

由于像ARM这样的嵌入式CPU通常都是在统一的内存地址空间中寻址Flash等固态存储设备的，因此从Flash上读取数据与从RAM单元中读取数据并没有什么不同。

用一个简单的循环就可以完成从Flash设备上拷贝映像的工作：

while（count）{

*dest++=*src++;/*theyareallalignedwithwordboundary*/

count-=4;/*bytenumber*/

};

3.2.4设置内核的启动参数

应该说，在将内核映像和根文件系统映像拷贝到RAM空间