嵌入式系統(tǒng)BootLoa1.ppt

1、a,1,嵌入式系統(tǒng)BootLoader,2,BootLoader,Boot loader是與系統(tǒng)硬件環(huán)境高度相關(guān)的初始化軟件，它擔(dān)負(fù)著初始化硬件和引導(dǎo)操作系統(tǒng)的雙重責(zé)任。 每一個特定系統(tǒng)的Boot loader都會有所不同。 Boot loader移植是在特定硬件平臺上操作系統(tǒng)移植至關(guān)重要的一步，是引導(dǎo)操作系統(tǒng)和根文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 對了解嵌入式系統(tǒng)底層運行機(jī)制、優(yōu)化和快速啟動的研究都有重要的意義,3,PC 機(jī)中的引導(dǎo)加載程序,兩部分組成 BIOS(其本質(zhì)就是一段固件程序) 位于硬盤 MBR 中的 OS Boot Loader（如LILO 和 GRUB 等） 流程 BIOS 在完成硬件檢測和資源

2、分配后，將硬盤 MBR 中的 Boot Loader 讀到系統(tǒng)的 RAM 中，然后將控制權(quán)交給 OS Boot Loader Boot Loader 的主要運行任務(wù)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，即開始啟動操作系統(tǒng),4,嵌入式系統(tǒng)中引導(dǎo)加載程序,系統(tǒng)的加載啟動任務(wù)就完全由 Boot Loader 來完成 ARM7TDMI中，系統(tǒng)在上電或復(fù)位時從地址 0 x00000000 處開始執(zhí)行,這個地址是Boot Loader 程序 典型的嵌入式系統(tǒng) boot loader Blob: boot loader object的縮寫 開源，遵循GPL，很好的Linux

3、loader，主要針對ARM U-boot：universal boot loader的縮寫， 開源，遵循GPL，支持ARM,MIPS，X86，Nios等處理器 可啟動VxWorks, QNX, Linux等多種操作系統(tǒng),5,Boot Loader 的概念,在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序 功能 初始化硬件設(shè)備 建立內(nèi)存空間的映射圖 調(diào)整系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境，以便操作系統(tǒng)內(nèi)核啟動 不通用 依賴于硬件CPU 依賴于主板board 不同的 CPU有不同的Boot Loader 有些 BootLoader 支持多CPU，如U-Boot支持ARM和MIPS,6,固態(tài)存儲設(shè)備的典型空間分配結(jié)構(gòu),7,B

4、oot Loader 的執(zhí)行,第一條指令 eg：地址 0 x00000000 嵌入式系統(tǒng)通常有固態(tài)存儲設(shè)備(比如：ROM、EEPROM 或 FLASH 等)被映射到這個預(yù)先安排的地址上 系統(tǒng)加電后，CPU 將首先執(zhí)行 Boot Loader 程序,8,用來控制 Boot Loader 的設(shè)備或機(jī)制,主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間一般通過串口建立連接 Boot Loader執(zhí)行時通常會通過串口進(jìn)行 I/O 如輸出打印信息到串口，從串口讀取用戶控制字符等,9,Boot Loader 的啟動過程,從固態(tài)存儲設(shè)備上啟動的 Boot Loader 大多都是 2 階段 啟動過程可以分為 stage 1和 stage 2

5、 兩部分 BOOTLOADER一般分為2部分 匯編部分執(zhí)行簡單的硬件初始化 C語言部分負(fù)責(zé)復(fù)制數(shù)據(jù),設(shè)置啟動參數(shù),串口通信等功能 BOOTLOADER的生命周期 1. 初始化硬件,如設(shè)置UART(至少設(shè)置一個),檢測存儲器等 2. 設(shè)置啟動參數(shù),告訴內(nèi)核硬件的信息,如顯示控制臺LCD或串口、VGA等. 3. 跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)的首地址. 4. 消亡,10,Boot Loader 的操作模式,啟動加載模式 自主（Autonomous）模式 從目標(biāo)機(jī)上的某個固態(tài)存儲設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到 RAM 中運行 Boot Loader 的正常工作模式 下載模式 通過串口連接或網(wǎng)絡(luò)連接等通信手段從主機(jī)（Host

6、）下載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像等。 從主機(jī)下載的文件通常首先被 Boot Loader 保存到目標(biāo)機(jī)的 RAM 中，然后再被 BootLoader 寫到目標(biāo)機(jī)上的FLASH 類固態(tài)存儲設(shè)備中。 第一次安裝內(nèi)核與根文件系統(tǒng)時或?qū)ζ涓聲r使用 通常都會向它的終端用戶提供一個簡單的命令行接口,11,BootLoader 與主機(jī)之間進(jìn)行文件傳輸所用的通信設(shè)備及協(xié)議,通常Boot Loader 通過串口與主機(jī)之間進(jìn)行文件傳輸 傳輸協(xié)議 通常是 xmodemymodemzmodem 協(xié)議中的一種 可通過以太網(wǎng)連接并借助 TFTP 協(xié)議來下載文件 串口傳輸?shù)乃俣仁怯邢薜?主機(jī)提供 TFTP 服務(wù),12,Bo

7、otLoader的主要任務(wù),stage1通常包括以下步驟 硬件設(shè)備初始化 為加載BootLoader的stage2準(zhǔn)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 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,13,stage1，基本的硬件初始化,目的 為stage2的執(zhí)行以及隨后的kernel的執(zhí)行準(zhǔn)備好一些基本的硬件環(huán)境 1屏蔽所有的中斷 為中斷提供服務(wù)通常是O

8、S設(shè)備驅(qū)動程序的責(zé)任，BootLoader的執(zhí)行全過程中可以不必響應(yīng)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（如ARM的CPSR寄存器）來完成 2設(shè)置CPU的速度和時鐘頻率。 3RAM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。 4初始化LED 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 5關(guān)閉CPU內(nèi)部指令數(shù)據(jù)cache,14,為加載 stage2 準(zhǔn)備 RAM 空間,通常把 stage2 加載到 RAM 空間中來執(zhí)

9、行 stage2 通常是 C 語言執(zhí)行代碼，考慮堆棧空間 空間大小最好是 memory page 大小(通常是 4KB)的倍數(shù) 一般1M RAM 空間已經(jīng)足夠，地址范圍可以任意安排 如 blob 就將 stage2 可執(zhí)行映像從系統(tǒng) RAM 起始地址 0 xc0200000 開始的 1M 空間內(nèi)執(zhí)行 stage2_endstage2_startstage2_size 對所安排的地址范圍進(jìn)行測試 必須確保所安排的地址范圍可讀寫的 RAM 空間 測試方法可以采用類似于 blob 的方法 以 memory page 為被測試單位，測試每個 page 開始的兩個字是否是可讀寫的,15,拷貝 stage

10、2 到 RAM 中,拷貝時要確定兩點 (1) stage2 的可執(zhí)行映象在固態(tài)存儲設(shè)備的存放起始地址和終止地址 (2) RAM 空間的起始地址,16,設(shè)置堆棧指針 sp (trampoline.S中完成,通常把 sp 的值設(shè)置為(stage2_end-4) 1MB 的 RAM 空間的最頂端(堆棧向下生長) 在設(shè)置堆棧指針 sp 之前，也可以關(guān)閉 led 燈，以提示用戶我們準(zhǔn)備跳轉(zhuǎn)到 stage2,17,跳轉(zhuǎn)到 stage2 的 C 入口點,可以跳轉(zhuǎn)到 Boot Loader 的 stage2 去執(zhí)行 如在 ARM系統(tǒng)中，這可以通過修改 PC 寄存器為合適的地址來實現(xiàn),18,Stage2,sta

11、ge2的代碼通常用C語言來實現(xiàn),代碼可讀性和可移植性 不能使用glibc庫中的任何支持函數(shù) Why？ trampoline(彈簧床)編程方式 用匯編語言寫一段trampoline 小程序，并將這段 trampoline 小程序來作為 stage2 可執(zhí)行映象的執(zhí)行入口點 在 trampoline 匯編小程序中用 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，CPU 執(zhí)行路徑顯然再次回到我們的 trampoline 程序。 用 trampoline 小程序來作為 main() 函數(shù)的外部包裹(external wrapper) Why not use main d

12、irectly 1)無法傳遞函數(shù)參數(shù)；2)無法處理函數(shù)返回,19,blob 的trampoline 程序示例,text .globl _trampoline _trampoline: bl main /* if main ever returns we just call it again */ b _trampoline,20,Stage2,初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備,1初始化至少一個串口，以便終端用戶進(jìn)行 I/O 輸出信息 2初始化計時器等 在初始化這些設(shè)備之前，也可以重新把 LED 燈點亮，以表明我們已經(jīng)進(jìn)入main() 函數(shù)執(zhí)行 設(shè)備初始化完成后，可以輸出一些打印信息，程序名字字符

13、串、版本號等,21,檢測系統(tǒng)的內(nèi)存映射（memory map,在 4GB 物理地址空間中哪些地址范圍被分配用來尋址系統(tǒng)的RAM 單元 在Samsung S3C44B0X 中，從0 x0c00,0000 (192M)到 0 x1000,0000(256M)之間的 64M 地址空間被用作系統(tǒng)的 RAM 地址空間 嵌入式系統(tǒng)往往只把 CPU 預(yù)留的全部 RAM 地址空間中的一部分映射到 RAM 單元上，而讓剩下的那部分預(yù)留 RAM 地址空間處于未使用狀態(tài) Boot Loader 的 stage2 必須檢測整個系統(tǒng)的內(nèi)存映射情況 必須知道 CPU 預(yù)留的全部 RAM 地址空間中的哪些被真正映射到 RA

14、M 地址單元，哪些是處于 unused 狀態(tài)的,22,加載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像,1 規(guī)劃內(nèi)存占用的布局 內(nèi)核映像所占用的內(nèi)存范圍 根文件系統(tǒng)所占用的內(nèi)存范圍 2從 Flash 上拷貝,內(nèi)存布局,flash布局,23,include/blob/arch/mba44b0.h,37 #define SDRAMSIZE (8) 38 39 /* the base address were BLOB is loaded by the first stage loader */ 40 #define BLOB_ABS_BASE_ADDR (0 x0c200400) 41 42 /* where do

15、various parts live in RAM */ 43 #define BLOB_RAM_BASE (0 x0c100000) 44 #define KERNEL_RAM_BASE (0 x0c300000) 45 #define PARAM_RAM_BASE (0 x0c110000) 46 #define RAMDISK_RAM_BASE (0 x0c400000) 47 48 /* and where do they live in flash */ 49 #define BLOB_FLASH_BASE (0 x00000000) 50 #define BLOB_FLASH_LE

16、N (60 * 1024) 51 #define PARAM_FLASH_BASE (BLOB_FLASH_BASE + BLOB_FLASH_LEN) 52 #define PARAM_FLASH_LEN (4 * 1024) 53 #define KERNEL_FLASH_BASE (PARAM_FLASH_BASE + PARAM_FLASH_LEN) 54 #define KERNEL_FLASH_LEN (704 * 1024) 55 #define RAMDISK_FLASH_BASE (KERNEL_FLASH_BASE + KERNEL_FLASH_LEN) 56 #defin

17、e RAMDISK_FLASH_LEN (1280 * 1024) 57 58 /* the position of the kernel boot parameters */ 59 #define BOOT_PARAMS (0 x0c000100,24,設(shè)置內(nèi)核的啟動參數(shù),Linux 2.4.x 以后的內(nèi)核都期望以標(biāo)記列表(tagged list)的形式來傳遞啟動參數(shù) 啟動參數(shù)標(biāo)記列表以標(biāo)記 ATAG_CORE 開始，以標(biāo)記 ATAG_NONE 結(jié)束 每個標(biāo)記由標(biāo)識被傳遞參數(shù)的 tag_header 結(jié)構(gòu)以及隨后的參數(shù)值數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組成 在嵌入式 Linux 系統(tǒng)中，通常需要由 Boot Lo

18、ader 設(shè)置的常見啟動參數(shù)有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等,25,調(diào)用內(nèi)核,直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的第一條指令處 在跳轉(zhuǎn)時，下列條件要滿足 1 CPU 寄存器的設(shè)置 R00；R1機(jī)器類型 ID；R2啟動參數(shù)標(biāo)記列表在 RAM 中起始基地址 2 CPU 模式 必須禁止中斷（IRQs和FIQs）； CPU 必須 SVC 模式； 3 Cache 和 MMU 的設(shè)置 MMU 必須關(guān)閉； 指令 Cache 可以打開也可以關(guān)閉； 數(shù)據(jù) Cache 必須關(guān)閉,26,串口終端,調(diào)試手段:打印信息到串口終端 串口終端顯示亂碼或根本沒有顯示 (1) boot loader 對串口的初始化設(shè)置不正確。 (2) 運行在 host 端的終端仿真程序?qū)Υ诘脑O(shè)置不正確，這包括：波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位和停止位等方面的設(shè)置,27,BLOB移植需要修改的文件,詳見4.3節(jié),28,Blob編譯與下載實驗,詳見4.4