BootLoader引导程序.docx
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BootLoader引导程序
BootLoader引导程序
一、实验目的
1.学会配置linux下的minicom和windows下的超级终端
2.了解bootloader的基本概念和框架结构
3.了解bootloader引导操作系统的过程
4.掌握bootloader程序的编译方法
5.掌握bootloader程序的使用方法
二、实验内容
1.学习x-loader作用和编译过程
2.学习uboot作用和编译过程
3.学习bootloader的操作
三、实验设备
PentiumII以上的PC机，LINUX操作系统
四、BOOTLOADER程序说明
完整的系统由x-loader、u-boot、kernel（内核）、rootfs（根文件系统）组成，x-loader是一级引导程序，其作用是初始化CPU，拷贝u-boot到内存，然后把控制权交给u-boot。
当OMAP3530上电时，memorycontroller（内存控制器）还未初始化，这个任务便由完成的x-loader。
初始化外部RAM控制器，把u-boot读到外部RAM，之后把控制入口交给。
u-boot是二级引导程序，其作用主要是引导内核，提供映像更新，同用户进行交互。
系统结构图如下：
1.BootLoader的作用
在嵌入式系统中，BootLoader的作用与PC机上的BIOS类似，其主要作用：
（1）初始化硬件设备；
（2）建立内存空间的映射图；（3）完成内核的加载，为内核设置启动参数。
通过BootLoader可以完成对系统板上的主要部件如CPU、SDRAM、Flash、串行口等进行初始化，也可以下载文件到系统板上，对Flash进行擦除与编程。
当运行操作系统时，它会在操作系统内核运行之前运行，通过它，可以分配内存空间的映射，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准备好正确的环境。
通常，BootLoader是依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式系统中。
因此，在嵌入式系统里建立一个通用的BootLoader几乎是不可能的，不同的处理器架构都有不同的BootLoader。
BootLoader不但依赖于CPU的体系结构，而且依赖于嵌入式系统板级设备的配置。
对于2块不同的嵌入式板而言，即使它们使用同一种处理器，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，一般也都需要修改BootLoader的源程序。
正如前面所述，BootLoader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，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，最后从别处（Flash、以太网、UART）载入内核映像并跳到入口地址。
但是，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。
通常，它们都能够自动从存储介质上启动，都能够引导操作系统，并且大部分都可以支持串口和以太网接口。
因此，正确建立linux的移植的前提条件是具备一个与linux配套、易于使用的Bootloader，它能够正确完成硬件系统的初始化和linux的引导。
为能够实现正确引导linux系统的运行，以及当编译完内核后，快速的下载内核和文件系统，uboot通过网口下载内核和文件系统。
同时，它也具有功能较为完善的命令集，对系统的软硬件资源进行合理的配置与管理。
2.BootLoader程序结构框架
嵌入式系统中的bootLoader的实现完全依赖于CPU的体系结构，因此大多数BootLoader都分为第一阶段和第二阶段两大部分，依赖于CPU体系结构的代码，比如设备初始化代码等，通常都放在阶段1中，而且通常都用汇编语言来实现，以达到短小精悍的目的。
而阶段2则通常用C语言来实现，这样可以实现一些复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。
uboot是功能最多、灵活性最强并且开发最积极的开放源码的bootLoader。
下载得到uboot的源码包，解压就可以得到全部uboot源程序。
在顶层目录下有18个子目录，分别存放和管理不同的源程序。
这些目录中所要存放的文件有一定的规则，可以分为3类。
a）第1类目录与处理器体系结构或者开发板硬件直接相关。
b）第2类目录是一些通用的函数或者驱动程序。
c）第3类目录是uboot的应用程序、工具或者文档。
其各级目录的存放在原则如下表所示：
特性
解释说明
board
平台依赖
存放电路板相关的目录文件
cpu
平台依赖
存入CPU相关的目录文件
lib_ppc
平台依赖
存放对PowerPC体系结构通用的文件，主要用于实现PowerPC平台通用的函数
lib_arm
平台依赖
存放对ARM体系结构通用的文件，主要用于实现ARM平台通用的函数
lib_i386
平台依赖
存放对X86体系结构通用的文件，主要用于实现X86平台通用的函数
include
通用
头文件和开发板配置文件，所有开发板配置文件都在configs目录下
common
通用
通用的多功能函数实现
lib_generic
通用
通用库函数的实现
net
通用
存放网络的程序
fs
通用
存放文件系统的程序
post
通用
存放上电自检程序
drivera
通用
通用的设备驱动程序，主要有以太网接口的驱动
disk
通用
硬盘接口程序
rtc
通用
TRC的驱动程序
dtt
通用
数了温度测量器或者传感器的驱动
examples
应用例程
一些独立运行的应用程序的例子
tools
工具
存放制作s-record或者uboot格式的映像等工具
doc
文档
开发使用文档
3、bootLoader程序架构分析
bootLoader本质上也是一个程序，也需要通过交叉编译工具生成控制性二进制代码。
但是bootLoader和一般C语言程序存在区别。
在Linux操作系统中，一般的c语言可执行程序是依赖于操作系统的。
可执行程序本身的格式一般不是纯粹的二进制代码，而是包含一些头信息的二进制代码（如ELF格式nux通过文件的头信息运行程序。
一般应用程序中还可能使用C语言基础函数的库，这个库以文件的形式放在linux的文件系统中。
而bootLoader是不依赖操作系统的。
相反，linux内核是由bootloader调用的，从这个角度上看，Linux内核是作为bootloader的一个“应用程序”在执行。
因此，在bootloader中不能依赖于任何环境，包括C语言的函数库。
Bootloader中所有的功能，都需要在其本身的代码中包含。
此外，bootloader编译-链接的结果将是一个目标机的纯二进制代码文件，直接在系统的初始化地址处运行。
由于BootLoader的实现依赖与CPU的体系结构，因此大多数的BootLoader都分为stage1和stage2两个阶段：
（1）、BootLoader的stage1通常主要包括以下步骤：
a）硬件设备初始化；
b）代码重定位，为加载BootLoader的stage2准备RAM空间；
c）加载bootloaderr第二阶段代码到RAM空间；
d）设置堆栈跳转到第二阶段代码入口。
（2）、BootLoader的stage2通常主要包括以下步骤：
a）初始化本阶段要使用到的硬件设备；
b）系统内存映射（memorymap）；
c）将kernel映像和根文件系统映像从Flash读到RAM空间中；
d）为内核设置启动参数；
e）调用内核。
4.omap3530中各个引导程序的特征及作用分析
1）、x-loader是一级引导程序，系统上电后由CPU内部ROM自动拷贝内部RAM并执行。
主要作用为初始化CPU，拷贝U-BOOT到内存中，然后把控制权交给U-BOOT（补充x-load源码分析）。
2）、uboot是二级引导程序，主要用于和用户进行交互，提供映像更新，引导内核等功能。
5、bootloader移植
1）u-boot烧写
Uboot能够支持多种体系结构的处理器，支持的开发板也越来越多。
因此bootloader完全依赖硬件平台的，所以在新电路板上需要移植uboot程序。
开始移植uboot之前熟悉硬件电路板和处理器。
确认uboot是否已经支持新开发板的处理器和i/o设备。
移植uboot工作就是添加开发板硬件相关的文件、配置选项，然后配置编译。
开妈移植之前，需要先分析一下uboot已经支持的开发板，比较出硬件配置最接近的开发板。
选择的原则是：
首先处理器相同，其次处理器体系结构相同，然后是以太网接口等外接口。
还要验证一下这个参考开发板的uboot，至少能够配置编译通过。
这里我们使用已经编译通过且和实验箱对应的uboot。
u-boot的烧写方法有好几种，这里介绍我们可能会用到的两种方法。
1、从UART3烧写u-boot的方法；2、对已经烧写好了u-boot的目标板进行u-boot更新的方法。
omap35xx大板上用mini-USB端子引出了两个UART接口，其中P9端子对应omap35xx的UART3，P3端子对应omap35xx的UART1。
说明：
Omap35xx可以从UART3启动。
如果需要利用此启动方式把把u-boot下载到目标板，需要使用公司提供的串口线把P9（UART3）和PC机串口连接起来。
UART1一般在调试中使用，调试时使用一根公司提供的串口线连接P3（UART1）和PC机。
烧写步骤：
1）、断电，设置omap3530CPU小板上的拨码开关SW1为：
SW1.1
SW1.2
SW1.3
SW1.4
SW1.5
SW1.6
OFF
OFF
ON
OFF
ON
OFF
2）、使用串口线一头连接板子的P9另一头连接PC机的串口1（串口号可以根据实际情况来更改）。
3）、打开超级终端，选择端口（和板子的P9端口相连的串口端口号，在这里是com1）
操作：
设置相应的参数如下，点确定打开：
4）、把光盘中，实验目录下的UartBootTool目录拷贝到电脑上，运行应用程序/UartBootTool/Utilities/DownloadUtility.exe如下图
在Transport栏选择使用的串口号（和板子的P9端口相连的串口端口号，在这里是com1）在File栏点击open，选择u-boot.bin文件（说明：
把事先在虚拟机linux操作系统中编译好的存放在/home/u-boot-1.3.3/目录下的u-boot.bin文件复制到windouws操作系统的某个位置）。
如下图：
点击Download按钮弹出下图所示的确定对话框。
如果提示不能下载是因为存在超级终端上两个按钮的切换。
5）、点击确定按钮，同时板子上电；
如果正常，会看到下载进度条在变动。
下载完后回弹出完成对话框。
6）、u-boot.bin下载完后会自动启动。
在刚才打开的超级终端中可以看到u-boot启动后的信息，提示不能显示是因为存在超级终端上两个按钮的切换。
。
如果是新板子，系统没有配置过，会自动停止在命令行位置（如上图）；如果以前烧写过u-boot，由于在FLASH中有配置信息，将会继续启动，需要立即点击键盘使u-boot停下来。
2）添加uboot命令
uboot的命令为用户提供了交互功能，并且已经实现了几十个常用命令。
如果需要很特殊的操作，可以添加新的uboot命令。
uboot的每一个命令都是能U_Boot_CMD宏定义的。
这个宏在include/command.h头文件中定义，每一个命令定义一个cmd_tbl_t结构体。
3）uboot的常用命令
setenvipaddr192.168.3.157（板子IP，根据实际情况设）
setenvserverip192.168.3.166（虚拟机的IP，根据实际情况设）
setenvnetmask255.255.255.0
setenvbootdelay3
setenvethaddr00:
50:
c2:
7e:
8A:
1D
setenvgatewayip192.168.3.1（网关，根据实际情况设）
setenvbootargsconsole=ttyS2,115200n8ubi.mtd=4root=ubi0:
rootfsrootfstype=ubifsvideo=omapfb:
mode:
8inch_LCD
setenvbootcmdnandread.i80300000280000210000\;bootm80300000
saveenv（保存设置好的参数）
Printenv打印环境变量。
Uboot>printenv
baudrate=115200
ipaddr=192.168.1.1
ethaddr=12:
34:
56:
78:
9A:
BC
serverip=192.168.1.5
Environmentsize:
80/8188bytes
Setenv设置新的变量
Uboot>setenvmyboardAT91RM9200DK
Uboot>printenv
baudrate=115200
ipaddr=192.168.1.1
ethaddr=12:
34:
56:
78:
9A:
BC
serverip=192.168.1.5
myboard=AT91RM9200DK
Environmentsize:
102/8188bytes
Saveenv保存变量
命令将当前定义的所有的变量及其值存入flash中。
用来存储变量及其值的空间只有8k字节，应不要超过。
Loadb通过串口Kermit协议下载二进制数据。
Tftp通过网络下载程序，需要先设置好网络配置
Uboot>setenvethaddr12:
34:
56:
78:
9A:
BC
Uboot>setenvipaddr192.168.1.1
Uboot>setenvserverip192.168.1.254 （tftp服务器的地址）
下载bin文件到地址0x20000000处。
Uboot>tftp20000000application.bin（application.bin应位于tftp服务程序的目录）
Uboot>tftp32000000vmlinux
把server（IP=环境变量中设置的serverip）中/tftpboot/下的vmlinux通过TFTP读入到物理内存32000000处。
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