bootloader设计与实现

第一章 第四章 boot loader设计与实现1.1 4.1 boot loader 的概念一个嵌入式Linux系统从软件的角度看通常可以分为四个层次：引导加载程 序、Linux内核、文件系统、用户应用程序。图4.1 Linux 系统层次图引导加载程序是系统加电后运行的第一段代码。我们熟悉的PC中的引导程序一般由BIOS和位于MBR的OS Boot Loader（例如LILO或者GRUB）一起组 成。然而在嵌入式系统中通常没有像 BIOS那样的固件程序（有的嵌入式CPU有）， 因此整个系统的加载启动任务就完全由 Boot Loader来完成。在嵌入式Linux 中，图4.1中的引导加载程序即等效为 Boot Loader 。简单地说，boot loader就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系 统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。对于一个系统来说，本质上，Boot Loader作为引导与加载内核镜像的工具，在实现上，必须提供以下几个功能：1 初始化硬件设备为后面程序的运行以及kernel的加载准备一些基本的硬件环境。2 .初始化RAMBoot Loader必须能够初始化RAM，因为将来系统要通过它保存一些易变数据，但具体地实现要依赖于具体的 CPU以及硬件系统。3. 初始化串口Boot Loader应该要初始化以及使能至少一个串口，通过它与控制台联系进 行一些debug的工作以及与PC通信。4. 创建内核参数列表针对Linux系统来说，这是一个推荐的步骤。5. 启动内核镜像这是必须的，因为Boot Loader的最终任务就是加载内核并将控制权交与它。通常，boot loader是严重地依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式世界。因此在嵌入式世界里建立一个通用的 boot loader几乎是不可能的。尽管如 此，我们仍然可以对boot loader归纳出一些通用的概念来。而这仅仅局限于 理论上，至于涉及到具体的设计与实现，则要结合具体的硬件系统。同时，对 于Boot Loader的这些共同特性，理论上只局限于 Boot Loader的基本功能， 因为扩展功能众多，可以有串口、USB、以太网接口、IDE等，无法进行归纳与总结1. boot loader 所支持的CPU和嵌入式板每种不同的CPU体系结构都有不同的boot loader 。有些boot loader也支持多种体系结构的CPU，比如U-BOOT就同时支持ARM体系结构和MIPS体系 结构。除了依赖于CPU的体系结构外，boot loader实际上也依赖于具体的嵌 入式板级设备的配置。这也就是说，对于两块不同的嵌入式板而言，即使它们 是基于同一种CPU而构建的，要想让运行在一块板子上的 boot loader程序也 能运行在另一块板子上，通常也都需要修改 boot loader的源程序。2. boot loader 的安装媒介(Installation Medium)系统加电或复位后，所有的CPU通常都从某个由CPU制造商预先安排的地 址上取指令。比如，基于ARM920 core的CPU在复位时通常都从地址 0x00000000取它的第一条指令。而基于CPU构建的嵌入式系统通常都有某种 类型的固态存储设备(比如:ROM, EEPROM或FLASH等)被映射到这个预先安排 的地址上。因此在系统加电后，CPU将首先执行boot loader程序。3 .用来控制boot loader的设备或机制主机和目标机之间一般通过串口建立连接，boot loader软件在执行时通常会通过串口来进行I/O ,比如:输出打印信息到串口，从串口读取用户控制字符 等。4. boot loader 的启动过程是单阶段(Single Stage)还是多阶段(Multi-Stage) 11通常多阶段的boot loader能提供更为复杂的功能，以及更好的可移植性。从固态存储设备上启动的boot loader大多都是2阶段的启动过程，也即启动过程可以分为stagel和stage2两部分。在stagel中要完成一些准备工作，目的是为stage2的执行以及随后的kernel的执行准备好一些基本的硬件环境。其基本流程如图4.2 :硬件设备初始化为加载Boot Loader的stage2准备RAM空间设置好堆栈拷贝 Boot Loader 的 stage2 到 RAM 空跳转到stage2的C入口点图4.2 stagel流程图boot loader的stagel通常包括以下步骤（以执行的先后顺序）：A）硬件设备初始化。虽然嵌入式开发板上硬件设备的种类繁多，但要实现Boot Loader的基本功能的硬件设备几乎是每个开发板都具备的。其初始化步骤如下：1）屏蔽所有的中断：提供中断服务通常是 OS设备驱动程序的责任，因此在Boot Loader的执行全过程中可以不必响应任何中断。中断屏蔽可以通过写CPU的中断屏蔽寄存器或状态寄存器（比如ARM是通过修改CPSR寄存器）