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[導讀]一種新的BootLoader啟動引導方式研究

引 言
    BootLoader通常稱為“系統(tǒng)的引導加載程序”,是系統(tǒng)加電或復(fù)位后執(zhí)行的第一段程序代碼。這段程序的主要任務(wù)是,實現(xiàn)硬件設(shè)備初始化并建立內(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)核或用戶應(yīng)用程序準備好正確的環(huán)境。通常,BootLoader包含兩種不同的加載和啟動引導方式,即啟動加載方式和下載方式。
    ①啟動加載(boot loading)方式。這種引導方式也稱為“自主(autonomous)引導方式”,也即BootLoader從目標機的某個固態(tài)存儲設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中并引導運行,整個過程并沒有用戶的介入。這種引導方式是BootLoader的正常工作模式下普遍采用的一種引導方式。因此在嵌入式產(chǎn)品發(fā)布的時候,BootLoader一般以這種引導方式對內(nèi)核代碼進行啟動引導。
    ②下載(down loading)方式。在這種引導方式下目標機上的BootLoader將通過串口連接或網(wǎng)絡(luò)連接等通信手段從主機下載文件,如下載應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)文件、內(nèi)核映像等。從主機下載的文件通常首先被BootLoader保存到目標機的RAM中,然后再被BootLoader寫到目標機上的固態(tài)存儲設(shè)備中,其后完成內(nèi)核的引導運行。BootLoader的這種引導方式通常在系統(tǒng)研發(fā)和更新時使用。在嵌入式系統(tǒng)研發(fā)階段,現(xiàn)有的BootLoader下載引導方式又可根據(jù)加載途徑的不同細分為以下幾種:
    ①通過Ethernet網(wǎng)口從宿主機下載內(nèi)核到目標板,從而實現(xiàn)軟件系統(tǒng)啟動;
    ②通過串口從宿主機下載內(nèi)核到目標板從而實現(xiàn)軟件系統(tǒng)啟動;
    ③直接從Flash中提取已存儲的內(nèi)核,從而實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的啟動。
    總結(jié)以上幾種引導方式會發(fā)現(xiàn),它們有些共同的弊端;在系統(tǒng)調(diào)試時需要進行宿主機與目標板間的硬件線路的實際連接,使用起來不夠方便,且燒片的速度比較緩慢,調(diào)試的效率不高;硬件方面需要大容量的Flash的支持,增加了研發(fā)成本;進行內(nèi)核更新時顯得不夠靈活。為此,采用可移動的存儲介質(zhì)對系統(tǒng)內(nèi)核進行存儲(如SD卡、CF卡等),從而實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)核的靈活調(diào)試和引導。這種引導方式的好處是,在調(diào)試時無需把宿主機和目標板進行硬件連接,提高了調(diào)試的效率,使用起來更便捷、更靈活;進行內(nèi)核更新時顯得更為靈活,只需把更新內(nèi)核轉(zhuǎn)存到指定目錄,此外它的實現(xiàn)也比較簡單。進行這方面的改進時只需做以下工作:在硬件方面,增加針對特定移動存儲介質(zhì)的硬件電路,而在中大型系統(tǒng)中,有關(guān)移動存儲介質(zhì)的硬件電路(如SD卡、CF卡等相關(guān)的電路)是現(xiàn)成的,所以硬件部分也可忽略;在BootLoader程序內(nèi)部,只需添加對移動存儲介質(zhì)(如CF卡、SD卡等)基于文件系統(tǒng)進行存儲訪問的指令。按此思路,在已有硬件平臺的基礎(chǔ)上針對移動設(shè)備SD卡對原有BootLoader進行了改進。下面介紹實現(xiàn)過程。

1 硬件平臺
    本次改進測試的硬件平臺是由英蓓特公司開發(fā)的基于LPC2294 ARM控制器的LPC22EB06一I實驗平臺。其上的主要功能模塊有:
    ①2 MB的Flash、1 MB的SRAM(可擴展到4 MB)、256B具有I2C接口的E2PROM等存儲器;
    ②2個RS232(其中一路可接Modem)、RS485、CAN等通信總線接口;
    ③2個調(diào)試接口:LPT和JTAG調(diào)試接口;
    ④支持CF卡、SD/MMC等移動存儲介質(zhì);
    ⑤支持128×128真彩顯示。
    圖1是其硬件功能框圖。

2 BOOtLoader的改進設(shè)計
2.1 原有BootLoader功能

    原來的:BootLoader具有如下功能:
    ①串口下載功能,通過串口下載內(nèi)核到指定RAM區(qū);
    ②Flash燒寫功能,從RAM區(qū)燒寫數(shù)據(jù)到Flash中;
    ③數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)塊搬移功能;
    ④其他功能。其指令封裝結(jié)構(gòu)如下:


2.2 BootLoader改進實驗
    此次改進就是在原有BootLoader的基礎(chǔ)上,增加對移動存儲介質(zhì)SD卡以FAT格式進行讀取數(shù)據(jù)的指令來實現(xiàn)的。命令封裝如下:


其功能是,在SD卡中把指定目錄下的內(nèi)核文件提取到SDRAM區(qū)域中,從而完成內(nèi)核的加載。
    另增加3條輔助指令,一條完成SD卡的格式化,另一條完成對系統(tǒng)內(nèi)核的保存,最后一條完成對系統(tǒng)內(nèi)核的啟動加載。命令封裝如下:


    其中,CMD_TBL_SD_FORMAT的功能是完成對SD卡的格式化,CMD_TBL_SD_STORE的功能是把SDRAM區(qū)域中的內(nèi)核代碼備份到SD卡的固定存儲區(qū),CMD_TBL_SD_LDAD的功能是把SD卡的固定存儲區(qū)中的內(nèi)核代碼加載到指定的SDRAM區(qū)域中。
    下面分析一下其基于FAT文件系統(tǒng)的具體讀取和備份方法。首先看一下FAT文件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。FAT文件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)大體由4大部分組成:MBR區(qū)(主引導記錄區(qū))、DBR區(qū)(DOS引導記錄區(qū))、FAT區(qū)(文件分配表區(qū),F(xiàn)ATl為主文件分配表區(qū),F(xiàn)AT2為備份文件分配表區(qū))和DATA區(qū)(數(shù)據(jù)區(qū),包含F(xiàn)DT區(qū)——文件目錄表區(qū))。FAT文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下:

    其各個區(qū)域基扇區(qū)地址(把MBR區(qū)的基扇區(qū)地址作為O)計算如下:
    DBR區(qū)的基扇區(qū)地址=MBR基扇區(qū)地址+63
    FAT表的基扇區(qū)地址=DBR的基扇區(qū)地址+保留扇區(qū)數(shù)
    FDT區(qū)基扇區(qū)地址=每FAT表扇區(qū)數(shù)×FAT表個數(shù)+(FDT區(qū)的開始簇號一2)×每簇扇區(qū)數(shù)+FAT表基扇區(qū)地址。(簇是系統(tǒng)進行文件管理的單位,F(xiàn)AT表中的每一項對應(yīng)一個簇,文件的存取按簇進行,一簇包含若干個扇區(qū)。)
    從FAT文件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)可以看出,從SD卡中讀取系統(tǒng)內(nèi)核代碼數(shù)據(jù)到指定的RAM區(qū)比較容易,就是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)核文件名在文件系統(tǒng)中進行查找定位,隨后完成讀取。對于內(nèi)核代碼的備份和加載,需要在深入分析FAT文件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對SD卡格式化作一些處理。在格式化時,通過設(shè)置MBR區(qū)和DBR區(qū)的數(shù)據(jù)實現(xiàn)不對SD卡存儲區(qū)的最末8MB區(qū)域(根據(jù)實際需要可增減)作格式化處理的目的,即把它置為RAW區(qū)。所以系統(tǒng)內(nèi)核備份的實現(xiàn),就是把系統(tǒng)內(nèi)核代碼通過SD卡的寫入指令填充到RAW區(qū)。系統(tǒng)內(nèi)核的加載是從RAW區(qū)直接讀取備份的內(nèi)核代碼。

3 總 結(jié)
    本文所述的內(nèi)核加載啟動引導方式已經(jīng)過實踐驗證。它實現(xiàn)了目標板與宿主機間硬件線路連接的完全脫離.為系統(tǒng)調(diào)試者提供了便利,有效地提高了系統(tǒng)調(diào)試的效率;與此同時,它還能方便地實現(xiàn)系統(tǒng)的在線更新??梢哉f要進行系統(tǒng)啟動引導設(shè)計,此方法是一個不錯的選擇。最后說明一點,本文介紹的BootLoader改進方法是在LCP2294芯片開發(fā)的LPC22EB06一I實驗平臺上完成的。由于BootLoader與處理器的體系結(jié)構(gòu)和具體嵌入式板級設(shè)備的配置密切相關(guān),若要在其他的處理器芯片或平臺上采用上述方法,還需對BootLoader中與處理器體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼作適當?shù)男薷?。這部分不是本文探討的主要內(nèi)容,所以在此不再詳述,若有讀者還想詳細了解相關(guān)內(nèi)容,請查閱相關(guān)論文或書籍。

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