boot loader技术内幕
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嵌入式系统Boot Loader 技术内幕1. 引言在专用的嵌入式板子运行GNU/Linux 系统已经变得越来越流行。
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:1. 引导加载程序。
包括固化在固件(firmware)中的boot 代码(可选),和Boot Loader 两大部分。
2. Linux 内核。
特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。
3. 文件系统。
包括根文件系统和建立于Flash 内存设备之上文件系统。
通常用ram disk 来作为root fs。
4. 用户应用程序。
特定于用户的应用程序。
有时在用户应用程序和内核层之间可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。
常用的嵌入式GUI 有:MicroWindows 和MiniGUI 懂。
引导加载程序是系统加电后运行的第一段软件代码。
回忆一下PC 的体系结构我们可以知道,PC 机中的引导加载程序由BIOS(其本质就是一段固件程序)和位于硬盘MBR 中的OS Boot Loader(比如,LILO 和GRUB 等)一起组成。
BIOS 在完成硬件检测和资源分配后,将硬盘MBR 中的Boot Loader 读到系统的RAM 中,然后将控制权交给OS Boot Loader。
Boot Loader 的主要运行任务就是将内核映象从硬盘上读到RAM 中,然后跳转到内核的入口点去运行,也即开始启动操作系统。
而在嵌入式系统中,通常并没有像BIOS 那样的固件程序(注,有的嵌入式CPU 也会内嵌一段短小的启动程序),因此整个系统的加载启动任务就完全由Boot Loader 来完成。
比如在一个基于ARM7TDMI core 的嵌入式系统中,系统在上电或复位时通常都从地址0x00000000 处开始执行,而在这个地址处安排的通常就是系统的Boot Loader 程序。
本文将从Boot Loader 的概念、Boot Loader 的主要任务、Boot Loader 的框架结构以及Boot Loader 的安装等四个方面来讨论嵌入式系统的Boot Loader。
Boot Loader 技术内幕Boot Loader依赖于CPU的体系结构(当然,有一些Boot Loader同时支持多种体系结构),也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。
系统加电或复位之后,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。
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(如:ROM、EEPROM或FLASH)被映射到这个预先安排的地址上。
(怎样映射?)因此,在系统加电后,CPU将首先执行Boot Loader程序。
下图为一个同时装有Boot Loader、内核的启动参数、内核映像和根文件系统映像的固态存储设备的典型空间分布结构图。
3、用来控制Boot Loader的设备或机制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还是多阶段从固态存储设备上启动的Boot Loader大多是2阶段的启动过程,也即启动过程分为:stage 1和stage 2两部分。
5、Boot Loader的操作模式大多数Boot Loader都包含两种不同的操作模式:“启动加载”模式和“下载”模式,这种区区别仅对开发人员有意义。
(1)、启动加载(Boot loading)模式:这种模式又叫做“自主”(Autonomous)模式。
即:Boot Loader从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中运行,整个过程并没有用户的介入。
这种模式是Boot Loader的正常工作模式,因此,在嵌入式产品发布的时候,Boot Loader显然必须工作在这种模式下。
(2)、下载(Downloading)模式:在这种模式下,目标机上的Boot Loader将通过串口连接或网络连接等通讯手段从主机(Host)下载文件,比如:下载内核映像和根文件系统映像等。
从主机下载的文件通常首先被Boot Loader保存到目标机的RAM中,然后再被Boot Loader写到目标机的Flash类固态存储设备中。
ARM Boot Loader简介1 Boot Loader概述简单地说,在操作系统内核运行之前,通过一小程序,可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图等,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配置好相应的环境,也可以下载文件到系统板上的SDRAM,对Flash进行擦除与编程,这个小程序一般称为Boot Loader。
可以说,一个功能完善的Boot Loader已经相当于一个微型的操作系统了。
Boot Loader作为系统复位或上电后首先运行的代码,一般应写入Flash存储器并从起始物理地址0x0开始。
Boot Loader是非常依赖于硬件而实现的,而且根据实现的功能不同,其复杂程度也各不相同。
一个简单的Boot Loader可以只完成USB口的初始化,而功能完善的Boot Loader可以支持比较复杂的命令集,对系统的软硬件资源进行合理的配置与管理。
因此,建立一个通用的Boot Loader几乎是不可能的。
尽管Boot Loader的功能各不相同,我们仍然可以对Boot Loader归纳出一些通用的概念来,以指导用户对特定要求的Boot Loader设计与实现。
Boot Loader一般应包括系统初始化过程,然后用户根据其系统的自身需求,具体设计。
系统初始化代码直接对ARM微处理器内核及硬件控制器编程,多采用汇编语言编程,初始化代码一般应包括如下典型任务:1.定义程序入口点;2.设置异常和中断向量表;3.初始化存储设备;4.初始化堆栈指针寄存器;5.初始化用户执行环境;6.呼叫主应用程序。
1.1 定义程序入口初始化代码必须定义整个程序的入口点。
通过伪指令Entry指定编译器保留该段代码,同时配合链接器的设置,确定整个程序的入口点。
1.2 设置异常和中断向量表异常和中断处理是嵌入式系统的重要核心部分。
它们负责处理错误、中断和其它由外部系统触发的事件。
ARM要求异常向量表必须放置在从0地址开始,连续32(8X4)字节的空间内,各异常的位置如表1所示。
解析单片机上应用的一款Boot Loader来源:电子设计应用作者:沈阳农业大学李娜许童羽李征明Boot Loader概述Boot Loader的概念及功能在以ARM为代表的嵌入式系统中,操作系统内核运行前的硬件初始化、建立内核镜像等都是由Boot Loader来完成的。
在PC机上,最先启动的是主板上的BIOS,BIOS负责对硬件初始化,给操作系统提供硬件的接口函数等等,但在嵌入式操作系统中并没有BIOS,因此整个嵌入式操作系统的加载启动任务就完全由Boot Loader来完成。
图1 Boot Loader流程图Boot Loader通常存放于目标平台的非易失存储介质中,主要用于完成由硬件启动到操作系统启动的过渡,能够在上电后对SDRAM、CACHE、FLASH等硬件部分进行检测,建立内存空间的映射图和内核镜像,建立通讯通道和调试通道等,还能够提供Shell Menu检测设置菜单和相应的检测程序,引导操作系统及应用程序,从而为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。
目前,嵌入式系统中广泛应用的UBoot、vivi、blob、armboot等Boot Loader在原有功能的基础上,增加了更多的功能并大大增强了移植性。
嵌入式系统中硬件的种类繁多,差距较大,而Boot Loader是严重依赖于硬件而实现的。
不同的CPU体系需要不同的Boot Loader,即便是同一种体系结构,由于其它硬件设备配置的不同,如板卡硬件地址的分配、RAM芯片的型号等,也需要对Boot Loader作一定的修改才能使用。
因此,开发人员需针对不同的处理器和开发板,对Boot Loader进行定制,来实现不同的功能。
Boot Loader的操作模式Boot Loader通常包括“启动加载(Boot loading)”和“下载(Downloading)”两种模式。
这两种操作模式仅对开发人员具有一定的意义。
启动加载模式:Boot Loader从目标机上的固态存储设备上将操作系统加载到RAM 中运行,无需用户介入。
一、概述Boot loader是计算机系统中一个非常重要的组成部分,它负责在计算机开机时加载操作系统,并将控制权交给操作系统,是系统启动的关键环节。
本文将就boot loader的工作原理进行探讨。
二、Boot loader的基本概念1.Boot loader是什么Boot loader是一个位于计算机存储设备上的特殊程序,其作用是在计算机启动时被加载到内存中,并负责引导操作系统的启动。
2.Boot loader的种类Boot loader的种类有很多,比较常见的有GRUB、LILO、Windows Boot Manager等。
不同的操作系统有不同的Boot loader。
3.Boot loader的工作流程Boot loader的工作流程一般包括加载启动设备、加载操作系统内核、初始化操作系统环境等几个关键步骤。
三、Boot loader的工作原理1.加载启动设备当计算机开机时,BIOS(基本输入/输出系统)会首先启动,并执行POST(电脑自检)过程。
BIOS会查找启动设备(通常是硬盘、光盘、USB等),并加载位于启动设备第一个扇区的boot loader程序。
2.加载操作系统内核一旦Boot loader被成功加载到内存中,它将负责加载操作系统的内核。
Boot loader会根据预设的启动顺序和用户的选择,找到正确的操作系统内核,并将其加载到内存中。
3.初始化操作系统环境Boot loader会初始化操作系统所需的一系列环境参数,例如内存布局、设备驱动、文件系统等,然后将控制权交给操作系统内核。
四、Boot loader的主要功能Boot loader在系统启动过程中承担着至关重要的作用,其主要功能包括:1.引导操作系统:将控制权交给操作系统内核,使操作系统能够正常运行。
2.加载内核:找到并加载正确的操作系统内核,确保操作系统能够正常启动。
3.初始化环境:初始化操作系统所需的环境参数,为操作系统的正常运行做好准备。
Boot LoaderWindows CE最大程度继承了桌面版Windows的丰富功能,但是Windows CE并不是一个通用的安装版操作系统。
在形形色色的嵌入式设备世界里,一款CE系统通常只会针对某一种硬件平台生成。
一般来说,Windows CE的开发过程可以分为:0AL(OEM Abstraction Layer)、驱动、应用程序开发三个步骤。
其中,0AL开发最基本的一步是板级支持包(BSP),而BootLoader 设计则在BSP开发中具有极为关键的地位。
1.什么是BootLoader嵌入式系统的启动代码一般由两部分构成:引导代码和操作系统执行环境的初始化代码。
其中引导代码一般也由两部分构成:第一部分是板级、片级初始化代码,主要功能是通过设置寄存器初始化硬件的工作方式,如设置时钟、中断控制寄存器等,完成内存映射、初始化MMU等。
第二部分是装载程序,将操作系统和应用程序的映像从只读存储器装载或者拷贝到系统的RAM中并执行。
(1)什么是板级BSP?BSP(Board Support Package)是板级支持包,是介于主板硬件和操作系统之间的一层,主要是为了支持操作系统,使之能够更好的运行于硬件主板。
不同的操作系统对应于不同形式的BSP,例如WinCE的BSP和Linux的BSP相对于某CPU来说尽管实现的功能一样,可是写法和接口定义是完全不同的。
所以,BSP一定要按照该系统BSP的定义形式来写,这样才能与上层OS保持正确的接口,良好的支持上层OS。
(2)什么是Boot Loader在BSP中有一个重要的组成部分就是BootLoader,它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,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,为调用操作系统内核准备好环境。
一般来说,在嵌入式世界里BootLoader 是严重地依赖于硬件的,因此想建立一个通用的 BootLoader 几乎是不可能的。
S3C2410 vivi阅读笔记建议读一读《嵌入式系统Boot Loader技术内幕》(詹荣开著),google一下就会找到一片。
什么是Bootloader就不再这里废话了,看看上面的文章就明了了。
Bootloader有很多种,如本文将要阅读的vivi,除此之外还有uboot,redboot,lilo等等。
Vivi 是韩国mizi公司专门为三星s3c2410芯片设计的Bootloader。
先来看看vivi的源码树:vivi-+-arch-+-s3c2410|-Documentation|-drivers-+-serial| ‘-mtd-+-maps| |-nor| ‘-nand|-include-+-platform| |-mtd| ‘-proc|-init|-lib-+-priv_data|-scripts-+-lxdialog|-test|-util可以google一下,搜到源码vivi.tar.gz。
前面提到的文件已经系统的分析了bootloader的,这里就按源代码来具体说事。
vivi也可以分为2个阶段,阶段1的代码在arch/s3c2410/head.S中,阶段2的代码从init/main.c 的main函数开始。
阶段1阶段1从程序arch/s3c2410/head.S开始,按照head.S的代码执行顺序,一次完成了下面几个任务:1、关WATCH DOG (disable watch dog timer)上电后,WATCH DOG默认是开着的2、禁止所有中断 (disable all interrupts)vivi中不会用到中断,中断是系统的事,bootloader可不能去干这事的(不过这段代码实在多余,上电后中断默认是关闭的)3、初始化系统时钟(initialise system clocks)启动MPLL,FCLK=200MHz,HCLK=100MHz,PCLK=50MHz,“CPU bus mode”改为“Asynchronous bus mode”。
bootloader工作原理一、引言在计算机系统中,bootloader(引导加载程序)是启动计算机系统的第一个程序,它负责初始化硬件设备、加载操作系统内核,并将控制权交给操作系统。
本文将深入探讨bootloader的工作原理,包括引导过程、启动流程、主要功能等。
二、引导过程引导过程是计算机系统启动的第一个阶段,它从系统上电开始,直到操作系统内核加载完毕。
下面是引导过程的详细步骤:1.上电自检(Power-On Self-Test, POST):计算机硬件进行自检,检查硬件是否正常工作。
2.加载BIOS:计算机启动时会加载基本输入输出系统(BIOS),BIOS是计算机硬件和操作系统之间的桥梁。
3.寻找可引导设备:BIOS会根据预设的启动设备顺序(如硬盘、光盘、USB等)寻找可引导设备。
4.加载bootloader:一旦找到可引导设备,BIOS会将控制权交给该设备上的bootloader。
5.bootloader初始化:bootloader会初始化计算机硬件设备,如显示器、键盘等。
6.加载操作系统内核:bootloader会从磁盘或网络中加载操作系统内核到内存中。
7.跳转到操作系统内核:一旦操作系统内核加载完毕,bootloader会将控制权转交给内核,操作系统开始执行。
三、启动流程bootloader的启动流程可以分为三个阶段:主引导程序(Master Boot Record, MBR)、可加载程序(Loader Program)和操作系统内核。
下面详细介绍每个阶段的功能和流程:1. 主引导程序(MBR)MBR是位于硬盘的第一个扇区(512字节),它包含了主引导记录、分区表和结束标志。
主引导记录(Master Boot Record)占446字节,其中包含了bootloader 的代码。
分区表(Partition Table)占64字节,记录了硬盘的分区信息。
结束标志(Boot Signature)占2字节,用于标识MBR的结束。
嵌入式系统Boot Loader 技术内幕(3)在boot loader 程序的设计与实现中,没有什么能够比从串口终端正确地收到打印信息能更令人激动了。
此外,向串口终端打印信息也是一个非常重要而又有效的调试手段。
但是,我们经常会碰到串口终端显示乱码或根本没有显示的问题。
造成这个问题主要有两种原因:(1) boot loader 对串口的初始化设置不正确。
(2) 运行在host 端的终端仿真程序对串口的设置不正确,这包括:波特率、奇偶校验、数据位和停止位等方面的设置。
此外,有时也会碰到这样的问题,那就是:在boot loader 的运行过程中我们可以正确地向串口终端输出信息,但当boot loader 启动内核后却无法看到内核的启动输出信息。
对这一问题的原因可以从以下几个方面来考虑:(1) 首先请确认你的内核在编译时配置了对串口终端的支持,并配置了正确的串口驱动程序。
(2) 你的boot loader 对串口的初始化设置可能会和内核对串口的初始化设置不一致。
此外,对于诸如s3c44b0x 这样的CPU,CPU 时钟频率的设置也会影响串口,因此如果boot loader 和内核对其CPU 时钟频率的设置不一致,也会使串口终端无法正确显示信息。
(3) 最后,还要确认boot loader 所用的内核基地址必须和内核映像在编译时所用的运行基地址一致,尤其是对于uClinux 而言。
假设你的内核映像在编译时用的基地址是0xc0008000,但你的boot loader 却将它加载到0xc0010000处去执行,那么内核映像当然不能正确地执行了。
Boot Loader 的设计与实现是一个非常复杂的过程。
如果不能从串口收到那激动人心的uncompressing linux.................. done, booting the kernel 内核启动信息,恐怕谁也不能说:嗨,我的boot loader 已经成功地转起来了!。
bootloader原理引言:随着计算机技术的不断发展,操作系统的启动过程也变得越来越复杂。
而在这个启动过程中,bootloader扮演着至关重要的角色。
本文将深入探讨bootloader的原理及其在计算机启动过程中的作用。
一、什么是bootloader?在计算机系统中,bootloader是一个小型程序,位于系统的非易失性存储器中,负责在计算机加电后运行并加载操作系统。
它是操作系统与计算机硬件之间的桥梁,起到引导计算机启动的作用。
二、bootloader的启动过程1. 加电自检(Power-On Self-Test, POST):计算机加电后,首先进行自检,检查硬件设备是否正常工作。
2. BIOS固件初始化:自检完成后,计算机会执行基本输入输出系统(Basic Input/Output System, BIOS)固件,对硬件进行初始化和设置。
3. bootloader加载:BIOS固件首先从硬盘的主引导扇区(Master Boot Record, MBR)中读取并加载bootloader程序到内存中。
4. bootloader功能:一旦bootloader被加载到内存中,它会执行一系列操作,包括检测和初始化硬件设备、加载操作系统内核、设置系统参数等。
5. 操作系统启动:最后,bootloader会将控制权交给操作系统内核,从而完成操作系统的启动过程。
三、bootloader的功能1. 硬件初始化:bootloader负责检测和初始化计算机硬件设备,如CPU、内存、硬盘、显卡等,为操作系统的正常运行做准备。
2. 操作系统加载:bootloader加载操作系统内核到内存中,并设置正确的执行环境,以便操作系统能够正确运行。
3. 启动参数设置:bootloader负责设置操作系统的启动参数,如命令行参数、内存分配等,以满足不同的系统配置需求。
4. 引导选项:bootloader提供引导选项,让用户能够选择不同的操作系统或配置。
bootloader:嵌入式BootLoader技术内幕疯狂代码 / ĵ:http://NetworkProgramming/Article33523.html、引言 ;在专用嵌入式板子运行 ;GNU/Linux ;系统已经变得越来越流行个嵌入式 ;Linux ;系统从软件角度看通常可以分为四个层次: ;1. ;引导加载包括固化在固件(firmware)中 ;boot ;代码(可选)和 ;Boot ;Loader ;两大部分 ;2. ;Linux ;内核特定于嵌入式板子定制内核以及内核启动参数 ;3. ;文件系统包括根文件系统和建立于 ;Flash ;内存设备之上文件系统通常用 ;ram ;disk ;来作为 ;root ;fs ;4. ;用户应用特定于用户应用有时在用户应用和内核层之间可能还会包括个嵌入式图形用户界面常用嵌入式 ;GUI ;有:MicroWindows ;和 ;MiniGUI ;懂 ;引导加载是系统加电后运行第段软件代码回忆下 ;PC ;体系结构我们可以知道PC ;机中引导加载由 ;BIOS(其本质就是段固件)和位于硬盘 ;MBR ;中 ;OSBoot ;Loader(比如LILO ;和 ;GRUB ;等)起组成BIOS ;在完成硬件检测和资源分配后将硬盘 ;MBR ;中 ;Boot ;Loader ;读到系统 ;RAM ;中然后将控制权交给 ;OS ;Boot ;LoaderBoot ;Loader ;主要运行任务就是将内核映象从硬盘上读到 ;RAM ;中然后跳转到内核入口点去运行也即开始启动操作系统 ;而在嵌入式系统中通常并没有像 ;BIOS ;那样固件(注有嵌入式 ;CPU ;也会内嵌段短小启动)因此整个系统加载启动任务就完全由 ;Boot ;Loader ;来完成比如在个基于 ;ARM7TDMI ;core ;嵌入式系统中系统在上电或复位时通常都从地址 ;0x00000000 ;处开始执行而在这个地址处安排通常就是系统 ;Boot ;Loader ; ;本文将从 ;Boot ;Loader ;概念、Boot ;Loader ;主要任务、Boot ;Loader ;框架结构以及Boot ;Loader ;安装等四个方面来讨论嵌入式系统 ;Boot ;Loader ;二、 ;Boot ;Loader ;概念 ;简单地说Boot ;Loader ;就是在操作系统内核运行之前运行段小通过这段小程序我们可以化硬件设备、建立内存空间映射图从而将系统软硬件环境带到个合适状态以便为最终操作系统内核准备好正确环境 ;通常Boot ;Loader ;是严重地依赖于硬件而实现特别是在嵌入式世界因此在嵌入式世界里建立个通用 ;Boot ;Loader ;几乎是不可能尽管如此我们仍然可以对 ;Boot ;Loader ;归纳出些通用概念来以指导用户特定 ;Boot ;Loader ;设计与实现 ;1. ;Boot ;Loader ;所支持 ;CPU ;和嵌入式板 ;每种不同 ;CPU ;体系结构都有不同 ;Boot ;Loader有些 ;Boot ;Loader ;也支持多种体系 结构 ;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 体系结构外Boot ;Loader ;实际上也依赖于具体嵌入式板级设备配置这也就是说对于两块不同嵌入式板而言即使它们是基于同种 ;CPU ;而构建要想让运行在块板子上 ;Boot ;Loader ;也能运行在另块板子上通常也都需要修改 ;Boot ;Loader ;源 ;2. ;Boot ;Loader ;安装媒介(Installation ;Medium) ;系统加电或复位后所有 ;CPU ;通常都从某个由 ;CPU ;制造商预先安排地址上取指令比如基于 ;ARM7TDMI ;core ; ;CPU ;在复位时通常都从地址 ;0x00000000 ;取它第条指 令而基于 ;CPU ;构建嵌入式系统通常都有某种类型固态存储设备(比如:ROM、EEPRO M ;或 ;FLASH ;等)被映射到这个预先安排地址上因此在系统加电后CPU ;将首先执行 ;B oot ;Loader ; ;下图1就是个同时装有 ;Boot ;Loader、内核启动参数、内核映像和根文件系统映像固态存储设备典型空间分配结构图 ;" align=absMiddle>/RTOS/UploadFiles_RTOS/200511/20051130030711799.g ;图1 ;固态存储设备典型空间分配结构3. ;用来控制 ;Boot ;Loader ;设备或机制 ;主机和目标机之间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等 ;4. ;Boot ;Loader ;启动过程是单阶段(Single ;Stage)还是多阶段(Multi-Stage) ;通常多阶段 ;Boot ;Loader ;能提供更为复杂功能以及更好可移植性从固态存储设备上启动 ;Boot ;Loader ;大多都是 ;2 ;阶段启动过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 ;5. ;Boot ;Loader ;操作模式 ;(Operation ;Mode) ;大多数 ;Boot ;Loader ;都包含两种不同操作模式:"启动加载"模式和"下载"模式这种区别仅对于开发人员才有意义但从最终用户角度看Boot ;Loader ;作用就是用来加载操作系统而并不存在所谓启动加载模式与下载工作模式区别 ;启动加载(Boot ;loading)模式:这种模式也称为"自主"(Autonomous)模式也即 ;Boo t ;Loader ;从目标机上某个固态存储设备上将操作系统加载到 ;RAM ;中运行整个过程并没有用户介入这种模式是 ;Boot ;Loader ;正常工作模式因此在嵌入式产品发布时侯Boot ;Loader ;显然必须工作在这种模式下 ;下载(Downloading)模式:在这种模式下目标机上 ;Boot ;Loader ;将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机(Host)下载文件比如:下载内核映像和根文件系统映像等从主机下载文件通常首先被 ;Boot ;Loader ;保存到目标机 ;RAM ;中然后再被 ;Boot ; Loader ;写到目标机上FLASH ;类固态存储设备中Boot ;Loader ;这种模式通常在第次安装内核与根文件系统时被使用;此外以后系统更新也会使用 ;Boot ;Loader ;这种工作模式工作于这种模式下 ;Boot ;Loader ;通常都会向它终端用户提供个简单命令行接口 ;像 ;Blob ;或 ;U-Boot ;等这样功能强大 ;Boot ;Loader ;通常同时支持这两种工作模式而且 允许用户在这两种工作模式之间进行切换比如Blob ;在启动时处于正常启动加载模式但是它会延时 ;10 ;秒等待终端用户按下任意键而将 ;blob ;切换到下载模式如果在 ;10 ;秒内没有用户按键则 ;blob ;继续启动 ;Linux ;内核 ;6. ;BootLoader ;与主机之间进行文件传输所用通信设备及协议 ;最常见情况就是目标机上 ;Boot ;Loader ;通过串口与主机之间进行文件传输传输协议通常是 ;xmodem/ymodem/zmodem ;协议中种但是串口传输速度是有限因此通过以太网连接并借助 ;TFTP ;协议来下载文件是个更好选择 ;此外在论及这个话题时主机方所用软件也要考虑比如在通过以太网连接和 ;TFTP ;协议来下载文件时主机方必须有个软件用来提供 ;TFTP ;服务在讨论了 ;BootLoader ;上述概念后下面我们来具体看看 ;BootLoader ;应该完成哪些任务--------------------------------------------------------------------------------由 ;lefthand05 ;在 ;05-08-2004 ;16:04 ;发表: ;嵌入式BootLoader技术内幕(二)三、Boot ;Loader ;主要任务与典型结构框架 ;在继续本节讨论之前首先我们做个假定那就是:假定内核映像与根文件系统映像都被加载到 ;RAM ;中运行之所以提出这样个假设前提是在嵌入式系统中内核映像与根文件系统映像也可以直接在 ;ROM ;或 ;Flash ;这样固态存储设备中直接运行但这种 做法无疑是以运行速度牺牲为代价从操作系统角度看Boot ;Loader ;总目标就是正确地内核来执行 ;另外由于 ;Boot ;Loader ;实现依赖于 ;CPU ;体系结构因此大多数 ;Boot ;Loader ;都分 为 ;stage1 ;和 ;stage2 ;两大部分依赖于 ;CPU ;体系结构代码比如设备化代码等通常都放在 ;stage1 ;中而且通常都用汇编语言来实现以达到短小精悍目而 ;stage2 ;则通常用C语言来实现这样可以实现给复杂功能而且代码会具有更好可读性和可移植性 ;Boot ;Loader ; ;stage1 ;通常包括以下步骤(以执行先后顺序):·硬件设备化·为加载 ;Boot ;Loader ; ;stage2 ;准备 ;RAM ;空间·拷贝 ;Boot ;Loader ; ;stage2 ;到 ;RAM ;空间中·设置好堆栈·跳转到 ;stage2 ; ;C ;入口点Boot ;Loader ; ;stage2 ;通常包括以下步骤(以执行先后顺序):·化本阶段要使用到硬件设备·检测系统内存映射(memory ;map)·将 ;kernel ;映像和根文件系统映像从 ;flash ;上读到 ;RAM ;空间中·为内核设置启动参数·内核 ;3.1 ;Boot ;Loader ; ;stage1 ;3.1.1 ;基本硬件化 ;这是 ;Boot ;Loader ;开始就执行操作其目是为 ;stage2 ;执行以及随后 ;kernel执行准备好些基本硬件环境它通常包括以下步骤(以执行先后顺序): ;1.屏蔽所有中断为中断提供服务通常是 ;OS ;设备驱动责任因此在 ;Boot ;Loader ;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 ;中断屏蔽寄存器 或状态寄存器(比如 ;ARM ; ;CPSR ;寄存器)来完成 ;2.设置 ;CPU ;速度和时钟频率 ;3.RAM ;化包括正确地设置系统内存控制器功能寄存器以及各内存库控制寄存器等 ;4.化 ;LED典型地通过 ;GPIO ;来驱动 ;LED其目是表明系统状态是 ;OK ;还是 ;Error如果板子上没有 ;LED那么也可以通过化 ;UART ;向串口打印 ;Boot ;Loader ; Logo ;信息来完成这点 ;5. ;关闭 ;CPU ;内部指令/数据 ;cache ;3.1.2 ;为加载 ;stage2 ;准备 ;RAM ;空间 ;为了获得更快执行速度通常把 ;stage2 ;加载到 ;RAM ;空间中来执行因此必须为加载 ; Boot ;Loader ; ;stage2 ;准备好段可用 ;RAM ;空间范围 ;由于 ;stage2 ;通常是 ;C ;语言执行代码因此在考虑空间大小时除了 ;stage2 ;可执行映象 大小外还必须把堆栈空间也考虑进来此外空间大小最好是 ;memory ;page ;大小(通常是 ;4KB)倍数般而言1M ; ;RAM ;空间已经足够了具体地址范围可以任意安排比如 ;blob ;就将它 ;stage2 ;可执行映像安排到从系统 ;RAM ;起始地址 ;0xc0200000 ;开始 ;1M ;空间内执行但是将 ;stage2 ;安排到整个 ;RAM ;空间最顶 ;1MB(也即(RamEnd-1M B) ;- ;RamEnd)是种值得推荐方法 ;为了后面叙述方便这里把所安排 ;RAM ;空间范围大小记为:stage2_size(字节)把起始地址和终止地址分别记为:stage2_start ;和 ;stage2_end(这两个地址均以 ;4 ;字节 边界对齐)因此: ;stage2_end=stage2_start+stage2_size另外还必须确保所安排地址范围确确是可读写 ;RAM ;空间因此必须对你所安排地址范围进行测试具体测试方法可以采用类似于 ;blob ;方法也即:以 ;memory ;page ;为被测试单位测试每个 ;memory ;page ;开始两个字是否是可读写为了后面叙述方便我们记这个检测算法为:test_mempage其具体步骤如下: ;1.先保存 ;memory ;page ;开始两个字内容 ;2.向这两个字中写入任意数字比如:向第个字写入 ;0x55第 ;2 ;个字写入 ;0xaa3.然后立即将这两个字内容读回显然我们读到内容应该分别是 ;0x55 ;和 ;0xaa如果不是则说明这个 ;memory ;page ;所占据地址范围不是段有效 ;RAM ;空间 ;4.再向这两个字中写入任意数字比如:向第个字写入 ;0xaa第 ;2 ;个字中写入 ;0x55 ;5.然后立即将这两个字内容立即读回显然我们读到内容应该分别是 ;0xaa ;和 ;0x55如果不是则说明这个 ;memory ;page ;所占据地址范围不是段有效 ;RAM ;空间;6.恢复这两个字原始内容测试完毕 ;为了得到段干净 ;RAM ;空间范围我们也可以将所安排 ;RAM ;空间范围进行清零操作 ;3.1.3 ;拷贝 ;stage2 ;到 ;RAM ;中 ;拷贝时要确定两点:(1) ;stage2 ;可执行映象在固态存储设备存放起始地址和终止地址 ;(2) ;RAM ;空间起始地址 ;3.1.4 ;设置堆栈指针 ;sp ;堆栈指针设置是为了执行 ;C ;语言代码作好准备通常我们可以把 ;sp ;值设置为(stage2_end-4)也即在 ;3.1.2 ;节所安排那个 ;1MB ; ;RAM ;空间最顶端(堆栈向下生长)此外在设置堆栈指针 ;sp ;之前也可以关闭 ;led ;灯以提示用户我们准备跳转到 ;stage2经过上述这些执行步骤后系统物理内存布局应该如下图2所示 ;3.1.5 ;跳转到 ;stage2 ; ;C ;入口点 ;在上述切都就绪后就可以跳转到 ;Boot ;Loader ; ;stage2 ;去执行了比如在 ;ARM ;系统中这可以通过修改 ;PC ;寄存器为合适地址来实现 ;" align=absMiddle>/RTOS/UploadFiles_RTOS/200511/20051130030711934.g图2 ;bootloader ; ;stage2 ;可执行映象刚被拷贝到 ;RAM ;空间时系统内存布局3.2 ;Boot ;Loader ; ;stage2 ;正如前面所说stage2 ;代码通常用 ;C ;语言来实现以便于实现更复杂功能和取得更好代码可读性和可移植性但是与普通 ;C ;语言应用不同是在编译和链接 ;bootloader ;这样时我们不能使用 ;glibc ;库中任何支持其原因是显而易见这就给我们带来个问题那就是从那里跳转进 ; ;呢?直接把 ; ;起始地址作为整个 ;stage2 ;执行映像入口点或许是最直接想法但是这样做有两个缺点:1)无法通过 ;传递参数;2)无法处理 ; ;返回情况种更为巧妙方法是利用 ;trampoline(弹簧床)概念也即用汇编语言写段trampoline ;小并将这段 ;trampoline ;小来作为 ;stage2 ;可执行映象执行入口点然后我们可以在 ;trampoline ;汇编小中用 ;CPU ;跳转指令跳入 ; ;中去执行;而当;返回时CPU ;执行路径显然再次回到我们 ;trampoline ;简而言之这种方法思想就是:用这段 ;trampoline ;小来作为 ; ;外部包裹(external ;wrapper) ;下面给出个简单 ;trampoline ;示例(来自blob): ;.text.globl ;_trampoline_trampoline:bl ;/* ; ; ;ever ;s ;we ;just ;call ;it ;again ;*/b ;_trampoline可以看出当 ; ;返回后我们又用条跳转指令重新执行 ;trampoline ;――当然也就重新执行 ; ;这也就是 ;trampoline(弹簧床)词意思所在 ;3.2.1化本阶段要使用到硬件设备 ;这通常包括:(1)化至少个串口以便和终端用户进行 ;I/O ;输出信息;(2)化计时器等在化这些设备之前也可以重新把 ;LED ;灯点亮以表明我们已经进入 ;;执行 ;设备化完成后可以输出些打印信息名字串、版本号等 ;3.2.2 ;检测系统内存映射(memory ;map) ;所谓内存映射就是指在整个 ;4GB ;物理地址空间中有哪些地址范围被分配用来寻址系统 ; RAM ;单元比如在 ;SA-1100 ;CPU ;中从 ;0xC000,0000 ;开始 ;512M ;地址空间被用作系统 ;RAM ;地址空间而在 ;Samsung ;S3C44B0X ;CPU ;中从 ;0x0c00,0000 ;到 ;0x1000,0000 之间 ;64M ;地址空间被用作系统 ;RAM ;地址空间虽然 ;CPU ;通常预留出大段足够地址空间给系统 ;RAM但是在搭建具体嵌入式系统时却不定会实现 ;CPU ;预留全部 ;RAM ;地址空间也就是说具体嵌入式系统往往只把 ;CPU ;预留全部 ;RAM ;地址空间中部分映射到 ;RAM ;单元上而让剩下那部分预留 ;RAM ;地址空间处于未使用状态由于上述这个事实因此 ;Boot ;Loader ; ;stage2 ;必须在它想干点什么 ;(比如将存储在 ; flash ;上内核映像读到 ;RAM ;空间中) ;之前检测整个系统内存映射情况也即它必须知道 ;CPU ;预留全部 ;RAM ;地址空间中哪些被真正映射到 ;RAM ;地址单元哪些是处于 ;"u nused" ;状态 ;(1) ;内存映射描述 ;可以用如下数据结构来描述 ;RAM ;地址空间中段连续(continuous)地址范围: ;typedef ;struct ;memory_area_struct ;{u32 ;start; ;/* ;the ;base ;address ;of ;the ;memory ;region ;*/u32 ;size; ;/* ;the ; ;number ;of ;the ;memory ;region ;*/;used;} ;memory_area_t;这段 ;RAM ;地址空间中连续地址范围可以处于两种状态之:(1)used=1则说明这段连续地址范围已被实现也即真正地被映射到 ;RAM ;单元上(2)used=0则说明这段连续地址范围并未被系统所实现而是处于未使用状态 ;基于上述 ;memory_area_t ;数据结构整个 ;CPU ;预留 ;RAM ;地址空间可以用个 ;memory _area_t ;类型来表示如下所示: ;memory_area_t ;memory_map[NUM_MEM_AREAS] ;= ;{[0 ;... ;(NUM_MEM_AREAS ;- ;1)] ;= ;{.start ;= ;0,.size ;= ;0,.used ;= ;0},};(2) ;内存映射检测 ;下面我们给出个可用来检测整个 ;RAM ;地址空间内存映射情况简单而有效算法: ;/* ;化 ;*/for(i ;= ;0; ;i ;< ;NUM_MEM_AREAS; ;i)memory_map[i].used ;= ;0;/* ;first ;write ;a ;0 ;to ;all ;memory ;locations ;*/for(addr ;= ;MEM_START; ;addr ;< ;MEM_END; ;addr ; ;PAGE_SIZE)* ;(u32 ;*)addr ;= ;0;for(i ;= ;0, ;addr ;= ;MEM_START; ;addr ;< ;MEM_END; ;addr ; ;PAGE_SIZE) ;{ /** ;检测从基地址 ;MEM_START+i*PAGE_SIZE ;开始,大小为* ;PAGE_SIZE ;地址空间是否是有效RAM地址空间*/3.1.2节中算法test_mempage;;( ;current ;memory ;page ;isnot ;a ;valid ;ram ;page) ;{/* ;no ;RAM ;here ;*/(memory_map[i].used ;)i;continue;}/** ;当前页已经是个被映射到 ;RAM ;有效地址范围* ;但是还要看看当前页是否只是 ;4GB ;地址空间中某个地址页别名?*/(* ;(u32 ;*)addr ;!= ;0) ;{ ;/* ;alias? ;*//* ;这个内存页是 ;4GB ;地址空间中某个地址页别名 ;*/;( ;memory_map[i].used ;)i;continue;}/** ;当前页已经是个被映射到 ;RAM ;有效地址范围* ;而且它也不是 ;4GB ;地址空间中某个地址页别名*/;(memory_map[i].used ; ;0) ;{memory_map[i].start ;= ;addr;memory_map[i].size ;= ;PAGE_SIZE;memory_map[i].used ;= ;1;} ; ;{memory_map[i].size ; ;PAGE_SIZE;}} ;/* ;end ;of ;for ;(…) ;*/在用上述算法检测完系统内存映射情况后Boot ;Loader ;也可以将内存映射详细信息打印到串口 ;3.2.3 ;加载内核映像和根文件系统映像 ;(1) ;规划内存占用布局 ;这里包括两个方面:(1)内核映像所占用内存范围;(2)根文件系统所占用内存范围在规划内存占用布局时主要考虑基地址和映像大小两个方面 ;对于内核映像般将其拷贝到从(MEM_START+0x8000) ;这个基地址开始大约1MB大小内存范围内(嵌入式 ;Linux ;内核般都不操过 ;1MB)为什么要把从 ;MEM_START ;到 ;MEM _START+0x8000 ;这段 ;32KB ;大小内存空出来呢?这是 ;Linux ;内核要在这段内存中放置些全局数据结构如:启动参数和内核页表等信息 ;而对于根文件系统映像则般将其拷贝到 ;MEM_START+0x0010,0000 ;开始地方如果用 Ramdisk ;作为根文件系统映像则其解压后大小般是1MB ;(2)从 ;Flash ;上拷贝 ;由于像 ;ARM ;这样嵌入式 ;CPU ;通常都是在统内存地址空间中寻址 ;Flash ;等固态存储设备因此从 ;Flash ;上读取数据与从 ;RAM ;单元中读取数据并没有什么不同用个简单循环就可以完成从 ;Flash ;设备上拷贝映像工作: ;while(count) ;{*dest ;= ;*src; ;/* ;they ;are ;all ;aligned ;with ;word ;boundary ;*/count ;-= ;4; ;/* ; ;number ;*/};3.2.4 ;设置内核启动参数 ;应该说在将内核映像和根文件系统映像拷贝到 ;RAM ;空间中后就可以准备启动 ;Linux ;内核了但是在内核之前应该作步准备工作即:设置 ;Linux ;内核启动参数Linux ;2.4.x ;以后内核都期望以标记列表(tagged ;list)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 ;tag_header ;结构以及随后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/asm/up.h ;头文件中: ;/* ;The ;list ;ends ;with ;an ;ATAG_NONE ;node. ;*/# ;ATAG_NONE ;0x00000000struct ;tag_header ;{u32 ;size; ;/* ;注意这里size是字数为单位 ;*/u32 ;tag;};……struct ;tag ;{struct ;tag_header ;hdr;union ;{struct ;tag_core ;core;struct ;tag_mem32 ;mem;struct ;tag_videotext ;videotext;struct ;tag_ramdisk ;ramdisk;struct ;tag_initrd ;initrd;struct ;tag_serialnr ;serialnr;struct ;tag_revision ;revision;struct ;tag_videolfb ;videolfb;struct ;tag_cmdline ;cmdline;/** ;Acorn ;specic*/struct ;tag_acorn ;acorn;/** ;DC21285 ;specic*/struct ;tag_memclk ;memclk;} ;u;};在嵌入式 ;Linux ;系统中通常需要由 ;Boot ;Loader ;设置常见启动参数有:ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等比如设置 ;ATAG_CORE ;代 码如下: ;params ;= ;(struct ;tag ;*)BOOT_PARAMS;params->hdr.tag ;= ;ATAG_CORE;params->hdr.size ;= ;tag_size(tag_core);params->u.core.flags ;= ;0;params->u.core.pagesize ;= ;0;params->u.core.rootdev ;= ;0;params ;= ;tag_next(params);其中BOOT_PARAMS ;表示内核启动参数在内存中起始基地址指针 ;params ;是个 ;str uct ;tag ;类型指针宏 ;tag_next ;将以指向当前标记指针为参数计算紧临当前标记下个标记起始地址注意内核根文件系统所在设备ID就是在这里设置下面是设置内存映射情况示例代码: ;for(i ;= ;0; ;i ;< ;NUM_MEM_AREAS; ;i) ;{(memory_map[i].used) ;{params->hdr.tag ;= ;ATAG_MEM;params->hdr.size ;= ;tag_size(tag_mem32);params->u.mem.start ;= ;memory_map[i].start;params->u.mem.size ;= ;memory_map[i].size;params ;= ;tag_next(params);}}可以看出在 ;memory_map[]中每个有效内存段都对应个 ;ATAG_MEM ;参数标记 ;Linux ;内核在启动时可以以命令行参数形式来接收信息利用这点我们可以向内核提供那些内核不能自己检测硬件参数信息或者重载(override)内核自己检测到信息比如我们用这样个命令行参数串"console=ttyS0,115200n8"来通知内核以 ;ttyS0作为控制台且串口采用 ;"115200bps、无奇偶校验、8位数据位"这样设置下面是段设置内核命令行参数串示例代码: ;char ;*p;/* ;eat ;leading ;white ;space ;*/for(p ;= ;commandline; ;*p ; ;' ;'; ;p);/* ;skip ;non-existent ;command ;lines ;so ;the ;kernel ;will ;still* ;use ;its ;default ;command ;line.*/(*p ; ;'\0');params->hdr.tag ;= ;ATAG_CMDLINE;params->hdr.size ;= ;((struct ;tag_header) ;+ ;strlen(p) ;+ ;1 ;+ ;4) ;>> ;2;strcpy(params->u.cmdline.cmdline, ;p);params ;= ;tag_next(params);请注意在上述代码中设置 ;tag_header ;大小时必须包括串终止符'\0'此外还要将字节数向上圆整4个字节 ;tag_header ;结构中size ;成员表示是字数 ;下面是设置 ;ATAG_INITRD ;示例代码它告诉内核在 ;RAM ;中什么地方可以找到 ;initrd ;映象(压缩格式)以及它大小: ;params->hdr.tag ;= ;ATAG_INITRD2;params->hdr.size ;= ;tag_size(tag_initrd);params->u.initrd.start ;= ;RAMDISK_RAM_BASE;params->u.initrd.size ;= ;INITRD_LEN;params ;= ;tag_next(params);下面是设置 ;ATAG_RAMDISK ;示例代码它告诉内核解压后 ;Ramdisk ;有多大(单位是K B): ;params->hdr.tag ;= ;ATAG_RAMDISK;params->hdr.size ;= ;tag_size(tag_ramdisk);params->u.ramdisk.start ;= ;0;params->u.ramdisk.size ;= ;RAMDISK_SIZE; ;/* ;请注意单位是KB ;*/params->u.ramdisk.flags ;= ;1; ;/* ;automatically ;load ;ramdisk ;*/params ;= ;tag_next(params);最后设置 ;ATAG_NONE ;标记结束整个启动参数列表: ;;void ;up_end_tag(void){params->hdr.tag ;= ;ATAG_NONE;params->hdr.size ;= ;0;}3.2.5 ;内核 ;Boot ;Loader ; ;Linux ;内核方法是直接跳转到内核第条指令处也即直接跳转到MEM_START+0x8000 ;地址处在跳转时下列条件要满足: ;1. ;CPU ;寄存器设置:·R0=0;@R1=机器类型 ;ID;关于 ;Machine ;Type ;Number可以参见 ;linux/arch/arm/tools/mach -types@R2=启动参数标记列表在 ;RAM ;中起始基地址; ;2. ;CPU ;模式:·必须禁止中断(IRQs和FIQs);·CPU ;必须 ;SVC ;模式; ;3. ;Cache ;和 ;MMU ;设置:·MMU ;必须关闭;·指令 ;Cache ;可以打开也可以关闭;·数据 ;Cache ;必须关闭; ;如果用 ;C ;语言可以像下列示例代码这样来内核: ;void ;(*theKernel)( ;zero, ; ;arch, ;u32 ;params_addr)= ;(void ;(*)(, ;, ;u32))KERNEL_RAM_BASE;……theKernel(0, ;ARCH_NUMBER, ;(u32) ;kernel_params_start);注意theKernel应该永远不返回如果这个返回则说明出错--------------------------------------------------------------------------------由 ;lefthand05 ;在 ;05-08-2004 ;16:05 ;发表: ;嵌入式BootLoader技术内幕(三)四、 ;关于串口终端 ;在 ;boot ;loader ;设计与实现中没有什么能够比从串口终端正确地收到打印信息能 更令人激动了此外向串口终端打印信息也是个非常重要而又有效调试手段但是我们经常会碰到串口终端显示乱码或根本没有显示问题造成这个问题主要有两种原 因:(1) ;boot ;loader ;对串口化设置不正确(2) ;运行在 ;host ;端终端仿真对串口设置不正确这包括:波特率、奇偶校验、数据位和停止位等方面设置 ;此外有时也会碰到这样问题那就是:在 ;boot ;loader ;运行过程中我们可以正确地 向串口终端输出信息但当 ;boot ;loader ;启动内核后却无法看到内核启动输出信息对 这问题原因可以从以下几个方面来考虑: ;(1) ;首先请确认你内核在编译时配置了对串口终端支持并配置了正确串口驱动程序 ;(2) ;你 ;boot ;loader ;对串口化设置可能会和内核对串口化设置不致此外对于诸如 ;s3c44b0x ;这样 ;CPUCPU ;时钟频率设置也会影响串口因此如果 ;boot ;loader ;和内核对其 ;CPU ;时钟频率设置不致也会使串口终端无法正确显示信息(3) ;最后还要确认 ;boot ;loader ;所用内核基地址必须和内核映像在编译时所用运行基地址致尤其是对于 ;uClinux ;而言假设你内核映像在编译时用基地址是 ;0xc0 008000但你 ;boot ;loader ;却将它加载到 ;0xc0010000 ;处去执行那么内核映像当然不 能正确地执行了 ;五、 ;结束语 ;Boot ;Loader ;设计与实现是个非常复杂过程如果不能从串口收到那激动人心 ;"uncompressing ;linux.................. ;done, ;booting ;the ;kernel……"2008-12-12 16:00:14疯狂代码 /。
KEA 的bootloade 的三个层面:bootloader 层,通信
层和驱动层
嵌入式产品,我们一般都需要一个bootloader 来更新固件和修复bug,一般常用的接口有,UART, CAN, USB, Ethernet,有的还有无线接口,像蓝牙,WiFi,等等,最基础常用的就是UART,熟悉NXP 微控制器的猿友都知道,官方提供了基于UART 和SPI, I2C,CAN 等接口的bootloader,只要稍加修改就可以集成到自己的项目,最近在使用KEA 汽车级的芯片,发现官网也提供了基于KEA 的bootloader,目前只支持UART 和SPI,因为SPI 要转接板,所以还是UART 方便一些,经常被选用。
官方提供的KEA 的bootloader 基本上分为三个层面
bootloader 层,通信层和驱动层
bootloader 的代码放在flash 的头4k 字节,以KEA128Z 为例可以划分为
中断向量表就要相应偏置到0x0000_1000 处,因为应用程序入口点在这里。
bootloader 的流程在应用笔记里也有提供,可以很好的帮助开发者熟悉整个过程。
默认支持UART 接口,如果需要支持其他接口,需要再源码里使能,也可以同时支持几个接口,但UART 优先级高,同时为了节省代码空。
嵌入式系统 Boot Loader 技术内幕简介:本文详细地介绍了基于嵌入式系统中的 OS 启动加载程序―― Boot Loader 的概念、软件设计的主要任务以及结构框架等内容。
1. 引言在专用的嵌入式板子运行 GNU/Linux 系统已经变得越来越流行。
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:1. 引导加载程序。
包括固化在固件(firmware)中的 boot 代码(可选),和 Boot Loader 两大部分。
2. Linux 内核。
特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。
3. 文件系统。
包括根文件系统和建立于 Flash 内存设备之上文件系统。
通常用 ram disk 来作为 root fs。
4. 用户应用程序。
特定于用户的应用程序。
有时在用户应用程序和内核层之间可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。
常用的嵌入式GUI 有:MicroWindows 和 MiniGUI 懂。
引导加载程序是系统加电后运行的第一段软件代码。
回忆一下 PC 的体系结构我们可以知道,PC 机中的引导加载程序由 BIOS(其本质就是一段固件程序)和位于硬盘 MBR 中的 OS Boot Loader(比如,LILO和 GRUB 等)一起组成。
BIOS 在完成硬件检测和资源分配后,将硬盘 MBR 中的 Boot Loader 读到系统的 RAM 中,然后将控制权交给OS Boot Loader。
Boot Loader 的主要运行任务就是将内核映象从硬盘上读到 RAM 中,然后跳转到内核的入口点去运行,也即开始启动操作系统。
而在嵌入式系统中,通常并没有像 BIOS 那样的固件程序(注,有的嵌入式 CPU 也会内嵌一段短小的启动程序),因此整个系统的加载启动任务就完全由 Boot Loader 来完成。
比如在一个基于 ARM7TDMI core 的嵌入式系统中,系统在上电或复位时通常都从地址0x00000000 处开始执行,而在这个地址处安排的通常就是系统的Boot Loader 程序。
本文将从 Boot Loader 的概念、Boot Loader 的主要任务、Boot Loader 的框架结构以及 Boot Loader 的安装等四个方面来讨论嵌入式系统的 Boot Loader。
回页首2. Boot Loader 的概念简单地说,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。
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。
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。
下图1就是一个同时装有 Boot Loader、内核的启动参数、内核映像和根文件系统映像的固态存储设备的典型空间分配结构图。
图1 固态存储设备的典型空间分配结构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 Boot Loader 大多都是 2 阶段的启动过程,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讨论。
5. Boot Loader 的操作模式 (Operation Mode)大多数 Boot Loader 都包含两种不同的操作模式:"启动加载"模式和"下载"模式,这种区别仅对于开发人员才有意义。
但从最终用户的角度看,Boot Loader 的作用就是用来加载操作系统,而并不存在所谓的启动加载模式与下载工作模式的区别。
启动加载(Boot loading)模式:这种模式也称为"自主"(Autonomous)模式。
也即 Boot Loader 从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到 RAM 中运行,整个过程并没有用户的介入。
这种模式是Boot Loader 的正常工作模式,因此在嵌入式产品发布的时侯,Boot Loader 显然必须工作在这种模式下。
下载(Downloading)模式:在这种模式下,目标机上的 Boot Loader 将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机(Host)下载文件,比如:下载内核映像和根文件系统映像等。
从主机下载的文件通常首先被 Boot Loader 保存到目标机的 RAM 中,然后再被 Boot Loader 写到目标机上的FLASH 类固态存储设备中。
Boot Loader 的这种模式通常在第一次安装内核与根文件系统时被使用;此外,以后的系统更新也会使用 Boot Loader 的这种工作模式。
工作于这种模式下的Boot Loader 通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。
像 Blob 或 U-Boot 等这样功能强大的 Boot Loader 通常同时支持这两种工作模式,而且允许用户在这两种工作模式之间进行切换。
比如,Blob 在启动时处于正常的启动加载模式,但是它会延时 10 秒等待终端用户按下任意键而将 blob 切换到下载模式。
如果在 10 秒内没有用户按键,则 blob 继续启动 Linux 内核。
6. BootLoader 与主机之间进行文件传输所用的通信设备及协议最常见的情况就是,目标机上的 Boot Loader 通过串口与主机之间进行文件传输,传输协议通常是 xmodem/ymodem/zmodem 协议中的一种。
但是,串口传输的速度是有限的,因此通过以太网连接并借助TFTP 协议来下载文件是个更好的选择。
此外,在论及这个话题时,主机方所用的软件也要考虑。
比如,在通过以太网连接和 TFTP 协议来下载文件时,主机方必须有一个软件用来的提供 TFTP 服务。
在讨论了 BootLoader 的上述概念后,下面我们来具体看看BootLoader 的应该完成哪些任务。
回页首3. Boot Loader 的主要任务与典型结构框架在继续本节的讨论之前,首先我们做一个假定,那就是:假定内核映像与根文件系统映像都被加载到 RAM 中运行。
之所以提出这样一个假设前提是因为,在嵌入式系统中内核映像与根文件系统映像也可以直接在 ROM 或 Flash 这样的固态存储设备中直接运行。
但这种做法无疑是以运行速度的牺牲为代价的。
从操作系统的角度看,Boot Loader 的总目标就是正确地调用内核来执行。
另外,由于 Boot Loader 的实现依赖于 CPU 的体系结构,因此大多数 Boot Loader 都分为 stage1 和 stage2 两大部分。
依赖于 CPU 体系结构的代码,比如设备初始化代码等,通常都放在 stage1 中,而且通常都用汇编语言来实现,以达到短小精悍的目的。
而 stage2 则通常用C语言来实现,这样可以实现给复杂的功能,而且代码会具有更好的可读性和可移植性。
Boot Loader 的 stage1 通常包括以下步骤(以执行的先后顺序):∙硬件设备初始化。
∙为加载 Boot Loader 的 stage2 准备 RAM 空间。
∙拷贝 Boot Loader 的 stage2 到 RAM 空间中。
∙设置好堆栈。
∙跳转到 stage2 的 C 入口点。
Boot Loader 的 stage2 通常包括以下步骤(以执行的先后顺序):∙初始化本阶段要使用到的硬件设备。
∙检测系统内存映射(memory map)。
∙将 kernel 映像和根文件系统映像从 flash 上读到 RAM 空间中。
∙为内核设置启动参数。
∙调用内核。
3.1 Boot Loader 的 stage13.1.1 基本的硬件初始化这是 Boot Loader 一开始就执行的操作,其目的是为 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。
它通常包括以下步骤(以执行的先后顺序):1.屏蔽所有的中断。
为中断提供服务通常是 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 的 CPSR 寄存器)来完成。
2.设置 CPU 的速度和时钟频率。
3. RAM 初始化。
包括正确地设置系统的内存控制器的功能寄存器以及各内存库控制寄存器等。
4.初始化 LED。
典型地,通过 GPIO 来驱动 LED,其目的是表明系统的状态是 OK 还是 Error。
如果板子上没有 LED,那么也可以通过初始化 UART 向串口打印 Boot Loader 的 Logo 字符信息来完成这一点。
5.关闭 CPU 内部指令/数据 cache。