ARM-Linux嵌入式系統(tǒng)的BootLoader分析與設(shè)計(jì)

0 引言
由Boot Loader和固化在固件(firmware)中的Boot代碼(可選)共同組成一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)加載程序。它的作用和功能就像固化到計(jì)算機(jī)內(nèi)主板上的一個(gè)ROM芯片程序BIOS(basic input output system)。但是它一般不配置像BIOS那樣的固件程序，這是因?yàn)橐紤]經(jīng)濟(jì)方面的原因，因此必須自己完成這方面的工作。Boot Loader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(gè)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。它的實(shí)現(xiàn)嚴(yán)重地依賴于硬件，特別是在嵌入式系統(tǒng)中，即使基于同一個(gè)CPU的Boot Loader，對(duì)于不同的板子，也有很大的不同。

1 Boot Loader分析
系統(tǒng)加電，然后復(fù)位后，基本上所有的CPU都是從復(fù)位地址上取得指令的。以微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)中，通常都有某種類型的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備(FLASH，E2PROM等)，這個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備被映射到一個(gè)預(yù)先設(shè)置好的地址上。在系統(tǒng)加電復(fù)位后，一開(kāi)始處理器就會(huì)去執(zhí)行存放在復(fù)位地址處的程序，而且通過(guò)開(kāi)發(fā)環(huán)境可以將Boot Loader定位在復(fù)位地址一開(kāi)始的存儲(chǔ)空間上，因此Boot Loader是系統(tǒng)加電后，在操作系統(tǒng)內(nèi)核或者一些應(yīng)用程序被運(yùn)行之前，首先會(huì)運(yùn)行的程序。對(duì)于嵌人式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，比較復(fù)雜的或者為了方便后期開(kāi)發(fā)大的應(yīng)用程序，有的使用操作系統(tǒng)，也有很多的情況下，因功能簡(jiǎn)單，或僅包括應(yīng)用程序的系統(tǒng)不使用操作系統(tǒng)，但是不論有無(wú)操作系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)都必須執(zhí)行Boot Loader，為的是準(zhǔn)備好軟硬件運(yùn)行環(huán)境。
以微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)中，一般都有某種類型的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備(FLASH，E2PROM等)，這個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備被映射到一個(gè)預(yù)先設(shè)置好的地址上。在系統(tǒng)加電復(fù)位后，一開(kāi)始處理器就會(huì)去執(zhí)行存放在復(fù)位地址處的程序。而且通過(guò)開(kāi)發(fā)環(huán)境可以將Boot Loader定位在復(fù)位地址一開(kāi)始的存儲(chǔ)空間上，因此Boot Loader是系統(tǒng)加電后，在操作系統(tǒng)內(nèi)核或者一些應(yīng)用程序被運(yùn)行之前，首先會(huì)運(yùn)行的程序。對(duì)于Linux系統(tǒng)，它的主要任務(wù)有以下7個(gè)方面。
(1)初始化處理器及外設(shè)的硬件資源配置。一般嵌入式系統(tǒng)的處理器在上電復(fù)位后，外部的I／O引腳都處于輸入狀態(tài)，處理器的片內(nèi)和片外設(shè)備資源都需要配置。
(2)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(gè)合適的環(huán)境，這樣就能為最終啟動(dòng)操作系統(tǒng)的內(nèi)核提供最好條件。
(3)把操作裝載到映射的內(nèi)存中，這也是所有任務(wù)當(dāng)中最重要的一個(gè)，只有完成這個(gè)任務(wù)，操作系統(tǒng)才能被裝載到內(nèi)存當(dāng)中去，Boot Loader一般會(huì)提供串口和網(wǎng)絡(luò)裝載兩種方式。
(4)為了把操作系統(tǒng)的映像保存在FLASH中，以便以后啟動(dòng)，可以直接裝載FLASH的數(shù)據(jù)，而不用重新下載程序，但需要對(duì)FLASH進(jìn)行編程。
(5)運(yùn)行操作系統(tǒng)。設(shè)置相關(guān)的寄存器和資源，跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)的所在空間，進(jìn)行相關(guān)的引導(dǎo)，這就是Boot Loader。
(6)在Linux系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，傳遞系統(tǒng)的啟動(dòng)參數(shù)，可以給內(nèi)核傳遞命令行等參數(shù)，通過(guò)命令行可以選擇控制系統(tǒng)的啟動(dòng)模式。
(7)命令行的解析和輸入／輸出控制。為了開(kāi)發(fā)的方便，多數(shù)的Boot Loader都采用串口作為終端的控制方式。
Boot Loader的啟動(dòng)過(guò)程可分為兩個(gè)重要階段。第一階段：由于Boot Loader的實(shí)現(xiàn)依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)，所以設(shè)備代碼的初始化等功能都在該階段完成。而且，為了達(dá)到縮短代碼的目的，通常用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)。在這一階段的執(zhí)行過(guò)程中，又可分為幾個(gè)方面。
①硬件設(shè)備的初始化。在該階段的執(zhí)行過(guò)程中，首先需要對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行初始化，其目的主要是為第二階段的執(zhí)行以及隨后Kernel的調(diào)用準(zhǔn)備基本的硬件環(huán)境。
②為加載Boot Loader的第二階段準(zhǔn)備RAM空間。為了獲得更快的執(zhí)行速度，通常把第二階段加載到RAM空間中來(lái)執(zhí)行。因此，必須為加載Boot Loader準(zhǔn)備好一段可用的RAM空間范圍。
③設(shè)置堆棧指針。設(shè)置堆棧是為了執(zhí)行C語(yǔ)言代碼作好準(zhǔn)備。
④跳轉(zhuǎn)到第二階段的C入口點(diǎn)。當(dāng)程序執(zhí)行到這個(gè)位置時(shí)，可以通過(guò)修改PC寄存器的值，使其跳轉(zhuǎn)到第二階段。
第二階段階段的啟動(dòng)流程分析：為了便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能和獲得更好的代碼可讀性和可移植性，通常第二階段的代碼用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，與普通C語(yǔ)言的不同之處是，這里使用了“彈簧床”的概念，即先用匯編語(yǔ)言寫(xiě)一段小程序，并將這段小程序作為第二階段可執(zhí)行映像的執(zhí)行入口點(diǎn)，然后在匯編程序中用CPU跳轉(zhuǎn)指令跳入main()函數(shù)中去執(zhí)行，當(dāng)main()函數(shù)返回時(shí)，CPU執(zhí)行路徑再次返回到匯編程序中第二階段，包括初始化本階段要使用的硬件設(shè)備，檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存映射，會(huì)將Kernel映像和根文件系統(tǒng)映像從FLASH中讀到RAM空間中，為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)調(diào)用內(nèi)核。

2 Boot Loader的設(shè)計(jì)
2．1 中斷向量表(二級(jí))的設(shè)計(jì)與建立
如果有中斷或者異常發(fā)生時(shí)，處理器便會(huì)強(qiáng)制性地把PC指針指向向量表中它所對(duì)應(yīng)的中斷類型地址值。為了提高中斷響應(yīng)速度，F(xiàn)LASH的0x0地址存放能跳轉(zhuǎn)到0x33FFFF00地址處中斷向量的跳轉(zhuǎn)指令，也就是會(huì)在在RAM中建立一個(gè)二級(jí)中斷向量表，起始地址為0x33FFFF00。除了復(fù)位外，所有的異常入口地址都由FLASH跳轉(zhuǎn)得到，代碼如下：

2．2 第二階段拷貝到RAM
把第二階段Stage2拷貝到RAM地址的最頂大小為1 MB的開(kāi)始空間，RAM的起始地址為0x30000000。代碼如下所示：

2．3 堆棧指針的設(shè)置
用戶使用哪些中斷決定了系統(tǒng)堆棧的初始化，以及系統(tǒng)需要處理的哪些錯(cuò)誤類型。一般情況下，堆棧設(shè)置是必須，而且是由管理者自己設(shè)置的。如果需要使用IRQ中斷，那么IRQ堆棧的設(shè)置也是必須的，下面是IRQ堆棧的設(shè)置：
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3 Stage2的設(shè)計(jì)
3．1 可執(zhí)行映像Stage2的入口
由于Glibc庫(kù)支持的函數(shù)不能用于編譯和鏈接Boot Loader這樣用C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，因此把main()函數(shù)的起始地址作為第二階段的入口點(diǎn)是最直接的想法。可以用匯編編寫(xiě)一段Trampoline小程序，用CPU跳轉(zhuǎn)指令跳到main()函數(shù)去執(zhí)行，當(dāng)函數(shù)返回時(shí)會(huì)再次回到Trampoline程序，代碼如下：

程序順利時(shí)就不會(huì)再回到開(kāi)始的Trampoline程序，不然就會(huì)回到最后的語(yǔ)句，系統(tǒng)就會(huì)重新啟動(dòng)。

3．2 內(nèi)存影射
一般S3C2410上配置的SDRSAM大小為64 MB，該SDRAM的物理地址范圍是Ox30000000～Ox33FFFFFF(屬于Bank 6)。由Section的大小可知，
該物理空間可被分成64個(gè)物理段。因?yàn)锳RM體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)緩沖必須通過(guò)MMU開(kāi)啟，因此Boot Loader效率不是很高，但是MMU可以通過(guò)平板映射(虛擬地址和物理地址相同)方式被開(kāi)啟，這樣使用內(nèi)存空間Dcache，從而使Boot Loader的運(yùn)行速度得到有效的提高。映射關(guān)系代碼如下：

3．3 裝載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像
像ARM這樣的嵌入式CPU通常都是在統(tǒng)一的內(nèi)存地址空間中尋址FLASH等固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備的，因此從Flash上讀取數(shù)據(jù)與從RAM單元中讀取數(shù)據(jù)一樣，用一個(gè)簡(jiǎn)單的循環(huán)就可以完成從FLASH設(shè)備上拷貝映像的工作：其中count為根文件系統(tǒng)映像的大小或內(nèi)核映像的大小。

3．4 內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù)的設(shè)置
內(nèi)核啟動(dòng)可以從NAND FLASH(NOR FLASH)中啟動(dòng)運(yùn)行Linux，需要修改啟動(dòng)命令如下：

LCD啟動(dòng)參數(shù)一般都包括root，init和console。noinitrd不使用ramdisk。root根文件系統(tǒng)在MTD分區(qū)。Init內(nèi)核運(yùn)行入口命令文件。co-nsol內(nèi)核信息控制臺(tái)，ttys0表示串行口0；tty0表示虛擬終端。

4 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)Boot Loader的分析可以看出，設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)良的Boot Loader可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及實(shí)時(shí)性，它是嵌入式開(kāi)發(fā)中不可或缺的一部分。只有設(shè)計(jì)出一個(gè)穩(wěn)定的Boot Loader，才能進(jìn)行下一步的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作，直至完成整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。設(shè)計(jì)Boot Loader是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作，需要對(duì)硬件資源和所用的操作系統(tǒng)有很深的理解。在實(shí)際開(kāi)發(fā)中可以根據(jù)需要簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，去除不必要的系統(tǒng)功能，這樣可以大大提高程序執(zhí)行的效率和穩(wěn)定性。這里給出的Boot Loader已經(jīng)順利通過(guò)了調(diào)試，可以正常加載操作系統(tǒng)。