一.簡介

　　回憶一下 PC 的體系結(jié)構(gòu)我們可以知道，PC 機(jī)中的引導(dǎo)加載程序由 BIOS(其本質(zhì)就是一段固件程序)和位于硬盤 MBR 中的OS Boot Loader(比如，LILO 和GRUB 等)一起組成。BIOS 在完成硬件檢測(cè)和資源分配后，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(yùn)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(diǎn)去運(yùn)行，也即開始啟動(dòng)操作系統(tǒng)。而在嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒有像 BIOS 那樣的固件程序(注，有的嵌入式 CPU 也會(huì)內(nèi)嵌一段短小的啟動(dòng)程序)，因此整個(gè)系統(tǒng)的加載啟動(dòng)任務(wù)就完全由 Boot Loader 來完成。比如在一個(gè)基于 ARM7TDMI core 的嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)在上電或復(fù)位時(shí)通常都從地址0x00000000 處開始執(zhí)行，而在這個(gè)地址處安排的通常就是系統(tǒng)的 Boot Loader 程序。

　　引導(dǎo)加載程序 。包括固化在固件 (firmware) 中的 boot 代碼 ( 可選 ) ，和 Boot Loader 兩大部分。

　　Linux 內(nèi)核 。特定于嵌入式板子的定制內(nèi)核以及內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù)。

　　引導(dǎo)加載程序是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段軟件代碼。

　　本文將從 BootLoader 的概念、BootLoader 的主要任務(wù)、BootLoader 的框架結(jié)構(gòu)以及 BootLoader 的安裝等四個(gè)方面來討論嵌入式系統(tǒng)的 BootLoader。

　　二.Boot Loader 的概念

　　簡單地說，Boot Loader 就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過這段小程序，我們可以初始化硬件設(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。

　　1. Boot Loader 所支持的 CPU 和嵌入式板

　　每種不同的 CPU 體系結(jié)構(gòu)都有不同的 Boot Loader。有些 Boot Loader 也支持多種體系結(jié)構(gòu)的 CPU，比如 U-Boot 就同時(shí)支持 ARM 體系結(jié)構(gòu)和MIPS 體系結(jié)構(gòu)。除了依賴于CPU 的體系結(jié)構(gòu)外，BootLoader 實(shí)際上也依賴于具體的嵌入式板級(jí)設(shè)備的配置。這也就是說，對(duì)于兩塊不同的嵌入式板而言，即使它們是基于同一種 CPU 而構(gòu)建的，要想讓運(yùn)行在一塊板子上的 Boot Loader 程序也能運(yùn)行在另一塊板子上，通常也都需要修改Boot Loader 的源程序。

　　2. Boot Loader 的安裝媒介(Installation Medium)

　　系統(tǒng)加電或復(fù)位后，所有的 CPU 通常都從某個(gè)由 CPU 制造商預(yù)先安排的地址上取指令。比如，基于 ARM7TDMI core 的 CPU 在復(fù)位時(shí)通常都從地址 0x00000000 取它的第一條指令。而基于 CPU 構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)通常都有某種類型的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備(比如：ROM、EEPROM 或 FLASH 等)被映射到這個(gè)預(yù)先安排的地址上。因此在系統(tǒng)加電后，CPU 將首先執(zhí)行 Boot Loader 程序。

　　3. 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 軟件在執(zhí)行時(shí)通常會(huì)通過串口來進(jìn)行 I/O，比如：輸出打印信息到串口，從串口讀取用戶控制字符等。

　　4. Boot Loader 的啟動(dòng)過程

　　Boot Loader 的啟動(dòng)過程是單階段(Single Stage)還是多階段(Multi-Stage)通常多階段的 Boot Loader 能提供更為復(fù)雜的功能，以及更好的可移植性。從固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上啟動(dòng)的 Boot Loader 大多都是 2 階段的啟動(dòng)過程，也即啟動(dòng)過程可以分為 stage 1 和stage 2 兩部分。而至于在 stage 1 和 stage 2 具體完成哪些任務(wù)將在下面討論。

　　5. 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

　　最常見的情況就是，目標(biāo)機(jī)上的 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 xmodem/ymodem/zmodem 協(xié)議中的一種。但是，串口傳輸?shù)乃俣仁怯邢薜模虼送ㄟ^以太網(wǎng)連接并借助 TFTP 協(xié)議來下載文件是個(gè)更好的選擇。在討論了 BootLoader 的上述概念后，下面我們來具體看看 BootLoader 的應(yīng)該完成哪些任務(wù)。

　　三. Boot Loader 的主要任務(wù)與典型結(jié)構(gòu)框架

　　在繼續(xù)本節(jié)的討論之前，首先我們做一個(gè)假定，那就是：假定內(nèi)核映像與根文件系統(tǒng)映像都被加載到 RAM 中運(yùn)行。之所以提出這樣一個(gè)假設(shè)前提是因?yàn)?，在嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)核映像與根文件系統(tǒng)映像也可以直接在 ROM 或 Flash 這樣的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備中直接運(yùn)行。但這種做法無疑是以運(yùn)行速度的犧牲為代價(jià)的。

　　從操作系統(tǒng)的角度看，Boot Loader 的總目標(biāo)就是正確地調(diào)用內(nèi)核來執(zhí)行。另外，由于 Boot Loader 的實(shí)現(xiàn)依賴于 CPU 的體系結(jié)構(gòu)，因此大多數(shù) Boot Loader 都分為 stage1 和 stage2 兩大部分。依賴于 CPU 體系結(jié)構(gòu)的代碼，比如設(shè)備初始化代碼等，通常都放在 stage1 中，而且通常都用匯編語言來實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到短小精悍的目的。

　　而 stage2 則通常用C語言來實(shí)現(xiàn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)給復(fù)雜的功能，而且代碼會(huì)具有更好的可讀性和可移植性。

　　Boot Loader 的 stage1 通常包括以下步驟(以執(zhí)行的先后順序)：

　　硬件設(shè)備初始化。

　　為加載 Boot Loader 的 stage2 準(zhǔn)備 RAM 空間。

　　拷貝 Boot Loader 的 stage2 到 RAM 空間中。

　　設(shè)置好堆棧。

　　跳轉(zhuǎn)到 stage2 的 C 入口點(diǎn)。

　　Boot Loader 的 stage2 通常包括以下步驟(以執(zhí)行的先后順序)：

　　初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備。

　　檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存映射(memory map)。

　　將 kernel 映像和根文件系統(tǒng)映像從 flash 上讀到 RAM 空間中。

　　為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)。

　　調(diào)用內(nèi)核。

　　3.1 Boot Loader 的 stage1

　　3.1.1基本的硬件初始化

　　這是 Boot Loader 一開始就執(zhí)行的操作，其目的是為 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。它通常包括以下步驟(以執(zhí)行的先后順序)：

　　屏蔽所有的中斷。為中斷提供服務(wù)通常是 OS 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的責(zé)任，因此在 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(比如ARM 的 CPSR 寄存器)來完成。

　　設(shè)置 CPU 的速度和時(shí)鐘頻率。

　　RAM 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。

　　初始化 LED。典型地，通過 GPIO 來驅(qū)動(dòng) LED，其目的是表明系統(tǒng)的狀態(tài)是 OK 還是 Error。如果板子上沒有 LED，那么也可以通過初始化 UART 向串口打印 Boot Loader 的 Logo 字符信息來完成這一點(diǎn)。

　　關(guān)閉 CPU 內(nèi)部指令/數(shù)據(jù) cache。

　　3.1.2 為加載 stage2 準(zhǔn)備 RAM 空間

　　為了獲得更快的執(zhí)行速度，通常把 stage2 加載到 RAM 空間中來執(zhí)行，因此必須為加載Boot Loader 的 stage2 準(zhǔn)備好一段可用的 RAM 空間范圍。由于 stage2 通常是 C 語言執(zhí)行代碼，因此在考慮空間大小時(shí)，除了 stage2 可執(zhí)行映象的大小外，還必須把堆棧空間也考慮進(jìn)來。此外，空間大小最好是 memory page 大小(通常是 4KB)的倍數(shù)。一般而言，1M的 RAM 空間已經(jīng)足夠了。具體的地址范圍可以任意安排，比如 blob 就將它的 stage2 可執(zhí)行映像安排到從系統(tǒng) RAM 起始地址 0xc0200000 開始的1M空間內(nèi)執(zhí)行。

　　但是，將 stage2 安排到整個(gè) RAM 空間的最頂 1MB(也即(RamEnd-1MB) - RamEnd)是一種值得推薦的方法。

　　為了后面的敘述方便，這里把所安排的 RAM 空間范圍的大小記為：stage2_size(字節(jié)) ，把起始地址和終止地址分別記為：stage2_start 和 stage2_end(這兩個(gè)地址均以 4 字節(jié)邊界對(duì)齊)。因此： stage2_end=stage2_start+stage2_size

　　另外，還必須確保所安排的地址范圍的的確確是可讀寫的 RAM 空間，因此，必須對(duì)你所安排的地址范圍進(jìn)行測(cè)試。

　　具體的測(cè)試方法可以采用類似于 blob 的方法，也即：以 memory page 為被測(cè)試單位，測(cè)試每個(gè) memory page 開始的兩個(gè)字是否是可讀寫的。為了后面敘述的方便，我們記這個(gè)檢測(cè)算法為：test_mempage，其具體步驟如下：

　　先保存 memory page 一開始兩個(gè)字的內(nèi)容。

　　向這兩個(gè)字中寫入任意的數(shù)字。比如：向第一個(gè)字寫入 0x55，第 2 個(gè)字寫入 0xaa。

　　然后，立即將這兩個(gè)字的內(nèi)容讀回。顯然，我們讀到的內(nèi)容應(yīng)該分別是 0x55 和 0xaa。如果不是，則說明這個(gè) memory page 所占據(jù)的地址范圍不是一段有效的 RAM 空間。

　　再向這兩個(gè)字中寫入任意的數(shù)字。比如：向第一個(gè)字寫入 0xaa，第 2 個(gè)字中寫入0x55。

　　然后，立即將這兩個(gè)字的內(nèi)容立即讀回。顯然，我們讀到的內(nèi)容應(yīng)該分別是 0xaa和 0x55。如果不是，則說明這個(gè) memory page 所占據(jù)的地址范圍不是一段有效的 RAM空間。

　　恢復(fù)這兩個(gè)字的原始內(nèi)容。測(cè)試完畢。

　　為了得到一段干凈的 RAM 空間范圍，我們也可以將所安排的 RAM 空間范圍進(jìn)行清零操作。