嵌入式系統(tǒng)BooLoaderP

1、徐遠超2nboot loader是與系統(tǒng)硬件環(huán)境高度相關(guān)的初始化軟件，它擔負著初始化硬件和引導操作系統(tǒng)的雙重責任。n每一個特定系統(tǒng)的boot loader都會有所不同。nboot loader移植是在特定硬件平臺上系統(tǒng)軟件移植至關(guān)重要的一步，是引導操作系統(tǒng)和根文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)。n對了解嵌入式系統(tǒng)底層運行機制、優(yōu)化和快速啟動的研究都有重要的意義。3n兩部分組成lbios(其本質(zhì)就是一段固件程序)l位于硬盤 mbr 中的 os boot loader（如lilo 和 grub 等）n流程lbios 在完成硬件檢測和資源分配后，將硬盤 mbr 中的 boot loader 讀到系統(tǒng)的 ram 中，然后

2、將控制權(quán)交給 os boot loaderlboot loader 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，即開始啟動操作系統(tǒng)。4n系統(tǒng)的加載啟動任務就完全由 boot loader 來完成larm7tdmi中，系統(tǒng)在上電或復位時從地址 0 x00000000 處開始執(zhí)行,這個地址是boot loader 程序n典型的嵌入式系統(tǒng) boot loaderlblob: boot loader object的縮寫-開源，遵循gpl，很好的linux loader，主要針對armlu-boot：universal boot loader的縮寫，-開源，遵循g

3、pl，支持arm,mips，x86，nios等處理器-可啟動vxworks, qnx, linux等多種操作系統(tǒng)5n在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序n功能l初始化硬件設(shè)備l建立內(nèi)存空間的映射圖l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n不通用l依賴于硬件cpul依賴于主板board n不同的cpu有不同的boot loader l有些 bootloader 支持多cpu，如u-boot支持arm和mips67n第一條指令l地址 0 x00000000n嵌入式系統(tǒng)通常有固態(tài)存儲設(shè)備(比如：rom、eeprom 或 flash 等)被映射到這個預先安排的地址上n系統(tǒng)加電后，cpu 將首先執(zhí)

4、行 boot loader 程序8n主機和目標板之間一般通過串口建立連接nboot loader執(zhí)行時通常會通過串口進行 i/ol如輸出打印信息到串口，從串口讀取用戶控制字符等9n通常boot loader 通過串口與主機之間進行文件傳輸n傳輸協(xié)議l通常是 xmodemymodemzmodem 協(xié)議中的一種n可通過以太網(wǎng)連接并借助 tftp 協(xié)議來下載文件l串口傳輸?shù)乃俣仁怯邢薜膌主機提供 tftp 服務10n啟動加載模式-自主（autonomous）模式-從目標機上的某個固態(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n下載模式-通過串口連接或網(wǎng)絡(luò)連接等通信手

5、段從主機（host）下載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像等。-從主機下載的文件通常首先被 boot loader 保存到目標機的 ram 中，然后再被 bootloader 寫到目標機上的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11n從固態(tài)存儲設(shè)備上啟動boot loader大多都是 2 階段lstage 1和 stage 2nbootloader一般分為2部分lstage 1:匯編部分,執(zhí)行簡單的硬件初始化lstage 2:c語言部分,負責復制數(shù)據(jù),設(shè)置啟動參數(shù),串口通信等功能nbootloader的生命周期l1.

6、初始化硬件,如設(shè)置uart(至少設(shè)置一個),檢測存儲器等l2. 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.l3. 跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)的首地址.l4. 消亡 12nstage1 通常包括以下步驟l基本硬件設(shè)備初始化l為加載 boot loader 的 stage2 準備 ram 空間l拷貝 boot loader 的 stage2 到 ram 空間中l(wèi)設(shè)置好堆棧l跳轉(zhuǎn)到 stage2 的 c 入口點nboot loader 的 stage2 通常包括以下步驟l初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備l檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射(memory map)l將 kernel 和根文件系統(tǒng)映像從 f

7、lash 上讀到 ram 空間中l(wèi)為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù)l調(diào)用內(nèi)核13n目的l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 n1 屏蔽所有的中斷l(xiāng)為中斷提供服務通常是 os 設(shè)備驅(qū)動程序的責任，boot loader 的執(zhí)行全過程中可以不必響應任何中斷l(xiāng)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n2 設(shè)置 cpu 的速度和時鐘頻率。n3 ram 初始化l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。n4 初始化 ledl通過 gpio 來驅(qū)動 led，其目的是表明系統(tǒng)的狀態(tài)是 ok 還

8、是 errorl如板子上沒有l(wèi)ed，那么也可以通過初始化 uart 向串口打印 boot loader 的 logo 字符信息n5 關(guān)閉 cpu 內(nèi)部指令數(shù)據(jù) cache14n通常把 stage2 加載到 ram 空間中來執(zhí)行 nstage2 通常是 c 語言執(zhí)行代碼，考慮堆?？臻gn空間大小最好是 memory page 大小(通常是 4kb)的倍數(shù)n一般1m ram 空間已經(jīng)足夠，地址范圍可以任意安排l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l(wèi)stage2_endstage2_startstage2_sizen對所

9、安排的地址范圍進行測試l必須確保所安排的地址范圍可讀寫的 ram 空間l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15n拷貝時要確定兩點l(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l(2) ram 空間的起始地址。16n通常把 sp 的值設(shè)置為(stage2_end-4)l1mb 的 ram 空間的最頂端(堆棧向下生長) n在設(shè)置堆棧指針 sp 之前，也可以關(guān)閉 led 燈，以提示用戶我們準備跳轉(zhuǎn)到 stage217n可以跳轉(zhuǎn)到 boot loader 的 stage2 去執(zhí)行

10、n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)18nstage2 的代碼通常用 c 語言來實現(xiàn),代碼可讀性和可移植性 n不能使用 glibc 庫中的任何支持函數(shù) lwhy？ntrampoline(彈簧床)編程方式l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l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l(wèi)當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。l用 trampoline 小程序來作為 main

11、() 函數(shù)的外部包裹(external wrapper)nwhy not use main directlyl1)無法傳遞函數(shù)參數(shù)；2)無法處理函數(shù)返回19.text.globl _trampoline_trampoline:bl main/* if main ever returns we just call it again */b _trampoline20n1初始化至少一個串口，以便終端用戶進行 i/o 輸出信息n2初始化計時器等n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)進入main() 函數(shù)執(zhí)行n設(shè)備初始化完成后，可以輸出一些打印信息，程序名字字符串、版本號

12、等 21n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l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n嵌入式系統(tǒng)往往只把 cpu 預留的全部 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留 ram 地址空間處于未使用狀態(tài)nboot loader 的 stage2 必須檢測整個系統(tǒng)的內(nèi)存映射情況l必須知道 cpu 預留的全部 ram 地址空間中的哪些被真正映射到 ram 地址單元，哪些是處于 unused 狀態(tài)的22n

13、1 規(guī)劃內(nèi)存占用的布局 l內(nèi)核映像所占用的內(nèi)存范圍l根文件系統(tǒng)所占用的內(nèi)存范圍n2 從flash上拷貝 內(nèi)存布局flash布局23n 37 #define sdramsize (8)n 38n 39 /* the base address were blob is loaded by the first stage loader */n 40 #define blob_abs_base_addr (0 x0c200400)n 41n 42 /* where do various parts live in ram */n 43 #define blob_ram_base (0 x0c10000

14、0)n 44 #define kernel_ram_base (0 x0c300000)n 45 #define param_ram_base (0 x0c110000)n 46 #define ramdisk_ram_base (0 x0c400000)n 47n 48 /* and where do they live in flash */n 49 #define blob_flash_base (0 x00000000)n 50 #define blob_flash_len (60 * 1024)n 51 #define param_flash_base (blob_flash_bas

15、e + blob_flash_len)n 52 #define param_flash_len (4 * 1024)n 53 #define kernel_flash_base (param_flash_base + param_flash_len)n 54 #define kernel_flash_len (704 * 1024)n 55 #define ramdisk_flash_base (kernel_flash_base + kernel_flash_len)n 56 #define ramdisk_flash_len (1280 * 1024)n 57n 58 /* the pos

16、ition of the kernel boot parameters */n 59 #define boot_params (0 x0c000100)24nlinux 2.4.x 以后的內(nèi)核都期望以標記列表(tagged list)的形式來傳遞啟動參數(shù)n啟動參數(shù)標記列表以標記 atag_core 開始，以標記 atag_none 結(jié)束n每個標記由標識被傳遞參數(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n在嵌入式 linux 系統(tǒng)中，通常需要由 boot loader 設(shè)置的常見啟動參數(shù)有：atag_core、atag_mem、atag_cmdline、atag_ramdis

17、k、atag_initrd等25n直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的第一條指令處 n在跳轉(zhuǎn)時，下列條件要滿足l1 cpu 寄存器的設(shè)置-r00；r1機器類型 id；r2啟動參數(shù)標記列表在 ram 中起始基地址l2 cpu 模式-必須禁止中斷（irqs和fiqs）；-cpu 必須 svc 模式；l3 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26n調(diào)試手段:打印信息到串口終端n串口終端顯示亂碼或根本沒有顯示 l(1) boot loader 對串口的初始化設(shè)置不正確。l(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：

18、波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位和停止位等方面的設(shè)置 27n詳見4.34.3節(jié)節(jié)28n詳見4.44.4節(jié)節(jié)29n德國denx軟件工程中心的wolfgang denkn全稱universal boot loaderl開放源碼項目lhttp:/ l從fadsrom、8xxrom 、ppcboot逐步發(fā)展演化而來l其源碼目錄、編譯形式與linux內(nèi)核很相似n支持l嵌入式linux/netbsd/vxworks/qnx/rtems/artos/lynxoslpowerpc、mips、x86、arm 、nios、xscale等處理器 30系統(tǒng)引導支持nfs掛載、ramdisk 系統(tǒng)引導 (壓縮或非壓縮)形式的根文件系統(tǒng)支持nfs掛載