BootLoader_BootLoader是什么
一.簡介
回憶一下PC的體系結(jié)構(gòu)我們可以知道,PC機中的引導加載程序由BIOS(其本質(zhì)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(tǒng)的RAM中,然后將控制權(quán)交給OSBootLoader。BootLoader的主要運行任務就是將內(nèi)核映象從硬盤上讀到RAM中,然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點去運行,也即開始啟動操作系統(tǒng)。而在嵌入式系統(tǒng)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(nèi)嵌一段短小的啟動程序),因此整個系統(tǒng)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(tǒng)中,系統(tǒng)在上電或復位時通常都從地址0x00000000處開始執(zhí)行,而在這個地址處安排的通常就是系統(tǒng)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(nèi)核。特定于嵌入式板子的定制內(nèi)核以及內(nèi)核的啟動參數(shù)。
引導加載程序是系統(tǒng)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(jié)構(gòu)以及BootLoader的安裝等四個方面來討論嵌入式系統(tǒng)的BootLoader。
二.BootLoader的概念
簡單地說,BootLoader就是在操作系統(tǒng)內(nèi)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(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖,從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài),以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準備好正確的環(huán)境。
1.BootLoader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BootLoader。有些BootLoader也支持多種體系結(jié)構(gòu)的CPU,比如U-Boot就同時支持ARM體系結(jié)構(gòu)和MIPS體系結(jié)構(gòu)。除了依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)外,BootLoader實際上也依賴于具體的嵌入式板級設(shè)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(gòu)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(tǒng)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(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)通常都有某種類型的固態(tài)存儲設(shè)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(tǒng)加電后,CPU將首先執(zhí)行BootLoader程序。
3.用來控制BootLoader的設(shè)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(zhí)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(tài)存儲設(shè)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(shè)備及協(xié)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(xié)議通常是xmodem/ymodem/zmodem協(xié)議中的一種。但是,串口傳輸?shù)乃俣仁怯邢薜模虼送ㄟ^以太網(wǎng)連接并借助TFTP協(xié)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(jié)構(gòu)框架
在繼續(xù)本節(jié)的討論之前,首先我們做一個假定,那就是:假定內(nèi)核映像與根文件系統(tǒng)映像都被加載到RAM中運行。之所以提出這樣一個假設(shè)前提是因為,在嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)核映像與根文件系統(tǒng)映像也可以直接在ROM或Flash這樣的固態(tài)存儲設(shè)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(tǒng)的角度看,BootLoader的總目標就是正確地調(diào)用內(nèi)核來執(zhí)行。另外,由于BootLoader的實現(xiàn)依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu),因此大多數(shù)BootLoader都分為stage1和stage2兩大部分。依賴于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言來實現(xiàn),以達到短小精悍的目的。
而stage2則通常用C語言來實現(xiàn),這樣可以實現(xiàn)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(zhí)行的先后順序):
硬件設(shè)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(shè)置好堆棧。
跳轉(zhuǎn)到stage2的C入口點。
BootLoader的stage2通常包括以下步驟(以執(zhí)行的先后順序):
初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備。
檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射(memorymap)。
將kernel映像和根文件系統(tǒng)映像從flash上讀到RAM空間中。
為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù)。
調(diào)用內(nèi)核。
3.1BootLoader的stage1
3.1.1基本的硬件初始化
這是BootLoader一開始就執(zhí)行的操作,其目的是為stage2的執(zhí)行以及隨后的kernel的執(zhí)行準備好一些基本的硬件環(huán)境。它通常包括以下步驟(以執(zhí)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(shè)備驅(qū)動程序的責任,因此在BootLoader的執(zhí)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(tài)寄存器(比如ARM的CPSR寄存器)來完成。
設(shè)置CPU的速度和時鐘頻率。
RAM初始化。包括正確地設(shè)置系統(tǒng)的內(nèi)存控制器的功能寄存器以及各內(nèi)存庫控制寄存器等。
初始化LED。典型地,通過GPIO來驅(qū)動LED,其目的是表明系統(tǒng)的狀態(tài)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(guān)閉CPU內(nèi)部指令/數(shù)據(jù)cache。
3.1.2為加載stage2準備RAM空間
為了獲得更快的執(zhí)行速度,通常把stage2加載到RAM空間中來執(zhí)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(zhí)行代碼,因此在考慮空間大小時,除了stage2可執(zhí)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(shù)。一般而言,1M的RAM空間已經(jīng)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(zhí)行映像安排到從系統(tǒng)RAM起始地址0xc0200000開始的1M空間內(nèi)執(zhí)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(jié)),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(jié)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(nèi)容。
向這兩個字中寫入任意的數(shù)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(nèi)容讀回。顯然,我們讀到的內(nèi)容應該分別是0x55和0xaa。如果不是,則說明這個memorypage所占據(jù)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(shù)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(nèi)容立即讀回。顯然,我們讀到的內(nèi)容應該分別是0xaa和0x55。如果不是,則說明這個memorypage所占據(jù)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(nèi)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。
更多資訊請關(guān)注:21ic模擬頻道