Boot Loader

Boot Loader 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。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，以指导用户特定的 Boot Loader 设计与实现。

 

作用原理

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 ARM7TDMI 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）　　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　　5. Boot Loader 的操作模式 (Operation Boot Loader 大多都是 2 阶段的启动过Mode)

　　6. BootLoader 与主机之间进行文件传输所用的通信设备及协议 程，也即启动过程可以分为 stage 1和 stage 2 两部分。而至于在 stage 1 和 stage 2 具体完成哪些任务将在下面几篇讨论。

 

Linux世界里Boot Loader的解析

网上关于Linux的BOOTLOADER文章不少了,但是大都是vivi,blob等比较庞大的程序,读起来不太方便,编译出的文件也比较大,而且更多的是面向开发用的引导代码,做成产品时还要裁减,这一定程度影响了开发速度,对初学者学习开销也比较大,在此分析一种简单的BOOTLOADER,是在三星公司提供的2410 BOOTLOADER上稍微修改后的结果,编译出来的文件大小不超过4k,希望对大家有所帮助.

1.几个重要的概念

COMPRESSED KERNEL and DECOMPRESSED KERNEL　　压缩后的KERNEL,按照文档资料,现在不提倡使用DECOMPRESSED KERNEL,而要使用COMPRESSED KERNEL,它包括了解压器.因此要在ram分配时给压缩和解压的KERNEL提供足够空间,这样它们不会相互覆盖.　　当执行指令跳转到COMPRESSED KERNEL后,解压器就开始工作,如果解压器探测到解压的代码会覆盖掉COMPRESSED KERNEL,那它会直接跳到COMPRESSED KERNEL后存放数据,并且重新定位KERNEL,所以如果没有足够空间,就会出错.　　Jffs2 File System　　可以使armlinux应用中产生的数据保存在FLASH上,我的板子还没用到这个.　　RAMDISK　　使用RAMDISK可以使ROOT FILE SYSTEM在没有其他设备的情况下启动.一般有两种加载方式,我就介绍最常用的吧,把COMPRESSED RAMDISK IMAGE放到指定地址,然后由BOOTLOADER把这个地址通过启动参数的方式ATAG_INITRD2传递给KERNEL.具体看代码分析.　　启动参数(摘自IBM developer)　　在调用内核之前，应该作一步准备工作，即：设置 Linux 内核的启动参数。Linux 2.4.x 以后的内核都期望以标记列表(tagged list)的形式来传递启动参数。启动参数标记列表以标记 ATAG_CORE 开始，以标记 ATAG_NONE 结束。每个标记由标识被传递参数的 tag_header 结构以及随后的参数值数据结构来组成。数据结构 tag 和 tag_header 定义在 Linux 内核源码的include/asm/setup.h 头文件中.　　在嵌入式 Linux 系统中，通常需要由 BOOTLOADER 设置的常见启动参数有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等。　　(注)参数也可以用COMMANDLINE来设定,在我的BOOTLOADER里,我两种都用了.

2.开发环境和开发板配置:

CPU:S3C2410,BANK6上有64M的SDRAM(两块),BANK0上有32M NOR FLASH,串口当然是逃不掉的.这样,按照数据手册,地址分配如下:　　0x4000_0000开始是4k的片内DRAM.　　0x0000_0000开始是32M FLASH 16bit宽度　　0x3000_0000开始是64M SDRAM 32bit宽度　　注意:控制寄存器中的BANK6和BANK7部分必须相同.　　0x4000_0000(片内DRAM)存放4k以内的BOOTLOADER IMAGE　　0x3000_0100开始存放启动参数　　0x3120_0000 存放COMPRESSED KERNEL IMAGE　　0x3200_0000 存放COMPRESSED RAMDISK　　0x3000_8000 指定为DECOMPRESSED KERNEL IMAGE ADDRESS　　0x3040_0000 指定为DECOMPRESSED RAMDISK IMAGE ADDRESS　　开发环境:Redhat Linux,armgcc toolchain, armlinux KERNEL　　如何建立armgcc的编译环境:建议使用toolchain,而不要自己去编译armgcc,偶试过好多次,都以失败告终.　　先下载arm-gcc 3.3.2 toolchain　　将arm-linux-gcc-3.3.2.tar.bz2 解压到 /toolchain　　# tar jxvf arm-linux-gcc-3.3.2.tar.bz2　　# mv /usr/local/arm/3.3.2 /toolchain　　在makefile 中在把arch=arm CROSS_COMPILE设置成toolchain的路径　　还有就是INCLUDE = -I ../include -I /root/my/usr/local/arm/3.3.2/include.,否则库函数就不能用了

3.启动方式:

可以放在FLASH里启动,或者用Jtag仿真器.由于使用NOR FLASH,根据2410的手册,片内的4K DRAM在不需要设置便可以直接使用,而其他存储器必须先初始化,比如告诉memory controller,BANK6里有两块SDRAM,数据宽度是32bit,= =.否则memory control会按照复位后的默认值来处理存储器.这样读写就会产生错误.　　所以第一步,通过仿真器把执行代码放到0x4000_0000,(在编译的时候,设定TEXT_BAS　　E=0x40000000)　　第二步,通过 AxD把linux KERNEL IMAGE放到目标地址(SDRAM)中,等待调用　　第三步,执行BOOTLOADER代码,从串口得到调试数据,引导armlinux

4.代码分析

讲了那么多执行的步骤,是想让大家对启动有个大概印象,接着就是BOOTLOADER内部的代码分析了,BOOTLOADER文章内容网上很多,我这里精简了下,删除了不必要的功能.　　BOOTLOADER一般分为2部分,汇编部分和c语言部分,汇编部分执行简单的硬件初始化,C部分负责复制数据,设置启动参数,串口通信等功能.　　BOOTLOADER的生命周期:　　1. 初始化硬件,比如设置UART(至少设置一个),检测存储器= =.　　2. 设置启动参数,这是为了告诉内核硬件的信息,比如用哪个启动界面,波特率 = =.　　3. 跳转到Linux KERNEL的首地址.　　4. 消亡　　同时在linux中 GRUB（GRand Unified Bootloader）是一个系统默认自带的多重启动管理器。它可以在多个操作系统共存时选择引导哪个系统。尽管引导操作系统看上去是件平凡且琐碎的任务，但它实际上很重要。如果引导装入器不能很好地完成工作或者不具有弹性，那么就可能锁住系统或者无法引导计算机……