嵌入式BootLoader技术探讨

1. 引言

　　BootLoader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、建立内存空间映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适状态，以便为终调用操作系统内核准备好正确的环境。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BootLoader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BootLoader程序。

　　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。2. Linux 内核。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。

　　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。

2. Boot Loader 的概念

　　引导加载程序是系统加电后运行的段软件代码。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 BootLoader（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BootLoader读到系统的RAM中，然后将控制权交给OS BootLoader。BootLoader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。

　　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（Boot loading）模式和（Downloading）模式。

　　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

　　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。

　　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。

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。

3.1 Boot Loader 的 stage1

3.1.1 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。

3.1.2 为加载 stage2 准备 RAM 空间

　　为了获得更快的执行速度，通常把 stage2 加载到 RAM 空间中来执行，因此必须为加载 Boot Loader 的 stage2 准备好一段可用的 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 可执行映象的大小外，还必须把堆栈空间也考虑进来。此外，空间大小是 memory page 大小（通常是 4KB）的倍数。

　　为了后面的叙述方便，这里把所安排的 RAM 空间范围的大小记为：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，还必须确保所安排的地址范围的的确确是可读写的 RAM 空间，因此，必须对你所安排的地址范围进行测试。具体的测试方法可以采用类似于 blob 的方法，也即：以 memory page 为被测试单位，测试每个 memory page 开始的两个字是否是可读写的。为了后面叙述的方便，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 一开始两个字的内容。

　　2. 向这两个字中写入任意的数字。比如：向个字写入 0x55，第 2 个字写入 0xaa。

　　3. 然后，立即将这两个字的内容读回。显然，我们读到的内容应该分别是 0x55 和 0xaa。如果不是，则说明这个 memory page 所占据的地址范围不是一段有效的 RAM 空间。

　　4. 再向这两个字中写入任意的数字。比如：向个字写入 0xaa，第 2 个字中写入 0x55。

　　5. 然后，立即将这两个字的内容立即读回。显然，我们读到的内容应该分别是 0xaa 和 0x55。如果不是，则说明这个 memory page 所占据的地址范围不是一段有效的 RAM 空间。

　　6. 恢复这两个字的原始内容。测试完毕。

　　为了得到一段干净的 RAM 空间范围，我们也可以将所安排的 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 的可执行映象在固态存储设备的存放起始地址和终止地址；（2） RAM 空间的起始地址。

3.1.4 设置堆栈指针 sp

　　堆栈指针的设置是为了执行 C 语言代码作好准备。通常我们可以把 sp 的值设置为（stage2_end-4），也即在 3.1.2 节所安排的那个 1MB 的 RAM 空间的顶端（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，系统的物理内存布局应该如下图2所示。

3.1.5 跳转到 stage2 的 C 入口点

　　在上述一切都就绪后，就可以跳转到 Boot Loader 的 stage2 去执行了。比如，在 ARM 系统中，这可以通过修改 PC 寄存器为合适的地址来实现。

图2 bootloader 的 stage2 可执行映象刚被拷贝到 RAM 空间时的系统内存布局
 

3.2 Boot Loader 的 stage2

　　正如前面所说，stage2 的代码通常用 C 语言来实现，以便于实现更复杂的功能和取得更好的代码可读性和可移植性。但是与普通 C 语言应用程序不同的是，在编译和链接 boot loader 这样的程序时，我们不能使用 glibc 库中的任何支持函数。

　　下面给出一个简单的 trampoline 程序示例（来自blob）：

　　可以看出，当 main（） 函数返回后，我们又用一条跳转指令重新执行 trampoline 程序――当然也就重新执行 main（） 函数，这也就是 trampoline（弹簧床）一词的意思所在。

3.2.1初始化本阶段要使用到的硬件设备

　　这通常包括：（1）初始化至少一个串口，以便和终端用户进行 I/O 输出信息；（2）初始化计时器等。

　　在初始化这些设备之前，也可以重新把 LED 灯点亮，以表明我们已经进入 main（） 函数执行。

　　设备初始化完成后，可以输出一些打印信息，程序名字字符串、版本号等。

3.2.2 检测系统的内存映射（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的 RAM 单元。比如，在 SA-1100 CPU 中，从 0xC000,0000 开始的 512M 地址空间被用作系统的 RAM 地址空间，而在 Samsung S3C44B0X CPU 中，从 0x0c00,0000 到 0x1000,0000 之间的 64M 地址空间被用作系统的 RAM 地址空间。虽然 CPU 通常预留出一大段足够的地址空间给系统 RAM，但是在搭建具体的嵌入式系统时却不一定会实现 CPU 预留的全部 RAM 地址空间。也就是说，具体的嵌入式系统往往只把 CPU 预留的全部 RAM 地址空间中的一部分映射到 RAM 单元上，而让剩下的那部分预留 RAM 地址空间处于未使用状态。

　　（1） 内存映射的描述

　　可以用如下数据结构来描述 RAM 地址空间中的一段连续（continuous）的地址范围：

    typedef struct memory_area_struct { u32 start; /* the base address of the memory region */ u32 size; /* the byte number of the memory region */ int used;} memory_area_t;

　　这段 RAM 地址空间中的连续地址范围可以处于两种状态之一：（1）used=1，则说明这段连续的地址范围已被实现，也即真正地被映射到 RAM 单元上。（2）used=0，则说明这段连续的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 预留的 RAM 地址空间可以用一个 memory_area_t 类型的数组来表示，如下所示：

　　memory_area_t memory_map[NUM_MEM_AREAS] = { [0 … （NUM_MEM_AREAS - 1）] = {  .start = 0,  .size = 0,  .used = 0 },};

    (2） 内存映射的检测
　　下面我们给出一个可用来检测整个 RAM 地址空间内存映射情况的简单而有效的算法：

　　/* 数组初始化 */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） {     /*   。 

　　在用上述算法检测完系统的内存映射情况后，Boot Loader 也可以将内存映射的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） 规划内存占用的布局

　　这里包括两个方面：（1）内核映像所占用的内存范围；（2）根文件系统所占用的内存范围。在规划内存占用的布局时，主要考虑基地址和映像的大小两个方面。

　　对于内核映像，一般将其拷贝到从（MEM_START＋0x8000） 这个基地址开始的大约1MB大小的内存范围内（嵌入式 Linux 的内核一般都不操过 1MB）。为什么要把从 MEM_START 到 MEM_START＋0x8000 这段 32KB 大小的内存空出来呢？这是因为 Linux 内核要在这段内存中放置一些全局数据结构，如：启动参数和内核页表等信息。

　　而对于根文件系统映像，则一般将其拷贝到 MEM_START 0x0010,0000 开始的地方。如果用 Ramdisk 作为根文件系统映像，则其解压后的大小一般是1MB。

　　（2）从 Flash 上拷贝

　　由于像 ARM 这样的嵌入式 CPU 通常都是在统一的内存地址空间中寻址 Flash 等固态存储设备的，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。用一个简单的循环就可以完成从 Flash 设备上拷贝映像的工作：

　　while（count） { *dest   = *src  ; /* they are all aligned with word boundary */ count -= 4; /* byte number */};

3.2.4 设置内核的启动参数

　　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：

    /* The list ends with an ATAG_NONE node. */#define ATAG_NONE 0x00000000struct tag_header { u32 size; /* 注意，这里size是字数为单位的 */ 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 specific   */  struct tag_acorn acorn;  /*   * DC21285 specific   */  struct tag_memclk memclk; } u;};

　　在嵌入式 Linux 系统中，通常需要由 Boot Loader 设置的常见启动参数有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等。

　　下面是设置内存映射情况的示例代码：

　　for（i = 0; i < NUM_MEM_AREAS; i  ） {  if（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［］数组中，每一个有效的内存段都对应一个 ATAG_MEM 参数标记。

　　下面是一段设置调用内核命令行参数字符串的示例代码：

　　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.  */ if（*p == '\0‘）  return; params->hdr.tag = ATAG_CMDLINE; params->hdr.size = （sizeof（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 的大小时，必须包括字符串的终止符‘\0’，此外还要将字节数向上圆整4个字节，因为 tag_header 结构中的size 成员表示的是字数。

    下面是设置 ATAG_RAMDISK 的示例代码，它告诉内核解压后的 Ramdisk 有多大（单位是KB）：

　　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）；

    ，设置 ATAG_NONE 标记，结束整个启动参数列表：

　　static void setup_end_tag（void）{ params->hdr.tag = ATAG_NONE; params->hdr.size = 0;}

3.2.5 调用内核

　　Boot Loader 调用 Linux 内核的方法是直接跳转到内核的条指令处，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 寄存器的设置：

　　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 的设置：

　　MMU 必须关闭；

　　指令 Cache 可以打开也可以关闭；

　　数据 Cache 必须关闭；

4. 关于串口终端

　　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。

　　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） ，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。

5. 结束语

　　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！"。