解析嵌入式系统的Boot Loader

　　引言

　　由Boot Loader和固化在固件（firmware）中的Boot代码（可选）共同组成一个嵌入式系统的引导加载程序。嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统，对功能、对可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

　　1 Boot Loader分析

　　系统加电，然后复位后，基本上所有的CPU都是从复位地址上取得指令的。以微处理器为的嵌入式系统中，通常都有某种类型的固态存储设备（FLASH，E2PROM等），这个固态存储设备被映射到一个预先设置好的地址上。在系统加电复位后，一开始处理器就会去执行存放在复位地址处的程序，而且通过开发环境可以将Boot Loader定位在复位地址一开始的存储空间上，因此Boot Loader是系统加电后，在操作系统内核或者一些应用程序被运行之前，首先会运行的程序。嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的往往是一个只有几K到几十K微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。

　　微处理器用一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。微处理器与传统的中央处理器相比，具有体积小，重量轻和容易模块化等优点。微处理器的基本组成部分有：寄存器堆、运算器、时序控制电路，以及数据和地址总线。微处理器能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。

　　以微处理器为的嵌入式系统中，一般都有某种类型的固态存储设备（FLASH，E2PROM等），这个固态存储设备被映射到一个预先设置好的地址上。在系统加电复位后，一开始处理器就会去执行存放在复位地址处的程序。而且通过开发环境可以将Boot Loader定位在复位地址一开始的存储空间上，Linux是一类Unix计算机操作系统的统称。Linux操作系统的内核的名字也是“Linux”。Linux操作系统也是自由软件和开放源代码发展中着名的例子。严格来讲，Linux这个词本身只表示Linux内核，但在实际上人们已经习惯了用Linux来形容整个基于Linux内核，并且使用GNU 工程各种工具和数据库的操作系统。Linux得名于计算机业余爱好者Linus Torvalds。它的主要任务有以下7个方面。

　　（1）初始化处理器及外设的硬件资源配置。一般嵌入式系统的处理器在上电复位后，外部的I/O引脚都处于输入状态，处理器的片内和片外设备资源都需要配置。

　　（2）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环境，这样就能为终启动操作系统的内核提供条件。

　　（3）把操作装载到映射的内存中，这也是所有任务当中重要的一个，只有完成这个任务，操作系统才能被装载到内存当中去，Boot Loader一般会提供串口和网络装载两种方式。

　　（4）为了把操作系统的映像保存在FLASH中，以便以后启动，可以直接装载FLASH的数据，而不用重新程序，但需要对FLASH进行编程。

　　（5）运行操作系统。设置相关的寄存器和资源，跳转到操作系统的所在空间，进行相关的引导，这就是Boot Loader。

　　（6）在Linux系统启动时，传递系统的启动参数，可以给内核传递命令行等参数，通过命令行可以选择控制系统的启动模式。

　　（7）命令行的解析和输入/输出控制。为了开发的方便，多数的Boot Loader都采用串口作为终端的控制方式。

　　Boot Loader的启动过程可分为两个重要阶段。阶段：由于Boot Loader的实现依赖于CPU的体系结构，所以设备代码的初始化等功能都在该阶段完成。而且，为了达到缩短代码的目的，通常用汇编语言来编写。

　　①硬件设备的初始化。在该阶段的执行过程中，首先需要对硬件设备进行初始化，其目的主要是为第二阶段的执行以及随后Kernel的调用准备基本的硬件环境。

　　②为加载Boot Loader的第二阶段准备RAM空间。为了获得更快的执行速度，通常把第二阶段加载到RAM空间中来执行。因此，必须为加载Boot Loader准备好一段可用的RAM空间范围。

　　③设置堆栈指针。设置堆栈是为了执行C语言代码作好准备。

　　④跳转到第二阶段的C入口点。当程序执行到这个位置时，可以通过修改PC寄存器的值，使其跳转到第二阶段。

　　第二阶段阶段的启动流程分析：为了便于实现复杂的功能和获得更好的代码可读性和可移植性，通常第二阶段的代码用C语言来实现。但是，与普通C语言的不同之处是，这里使用了“弹簧床”的概念，即先用汇编语言写一段小程序，并将这段小程序作为第二阶段可执行映像的执行入口点，然后在汇编程序中用CPU跳转指令跳入main（）函数中去执行，当main（）函数返回时，CPU执行路径再次返回到汇编程序中第二阶段，包括初始化本阶段要使用的硬件设备，检测系统内存映射，会将Kernel映像和根文件系统映像从FLASH中读到RAM空间中。

　　2 Boot Loader的设计

　　2.1 中断向量表（二级）的设计与建立

　　如果有中断或者异常发生时，处理器便会强制性地把PC指针指向向量表中它所对应的中断类型地址值。为了提高中断响应速度，FLASH的0x0地址存放能跳转到0x33FFFF00地址处中断向量的跳转指令，也就是会在在RAM中建立一个二级中断向量表，起始地址为0x33FFFF00。代码如下：

　　2.2 第二阶段拷贝到RAM

　　把第二阶段Stage2拷贝到RAM地址的顶大小为1 MB的开始空间，RAM的起始地址为0x30000000。代码如下所示：

　　2.3 堆栈指针的设置

　　用户使用哪些中断决定了系统堆栈的初始化，以及系统需要处理的哪些错误类型。一般情况下，堆栈设置是必须，而且是由管理者自己设置的。如果需要使用IRQ中断，那么IRQ堆栈的设置也是必须的，下面是IRQ堆栈的设置：

　　3 Stage2的设计

　　3.1 可执行映像Stage2的入口

　　由于Glibc库支持的函数不能用于编译和链接Boot Loader这样用C语言编写的程序，因此把main（）函数的起始地址作为第二阶段的入口点是直接的想法。可以用汇编编写一段Trampoline小程序，用CPU跳转指令跳到main（）函数去执行，当函数返回时会再次回到Trampoline程序，代码如下：

　　程序顺利时就不会再回到开始的Trampoline程序，不然就会回到的语句，系统就会重新启动。

　　3.2 内存影射

　　一般S3C2410上配置的SDRSAM大小为64 MB，该SDRAM的物理地址范围是Ox30000000～Ox33FFFFFF（属于Bank 6）。由Section的大小可知，该物理空间可被分成64个物理段。因为ARM体系结构中数据缓冲必须通过MMU开启，因此Boot Loader效率不是很高，但是MMU可以通过平板映射方式被开启，MMU是Memory Management Unit的缩写，中文名是内存管理单元，它是中央处理器（CPU）中用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，同时也负责虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存访问授权。映射关系代码如下：

　　3.3 装载内核映像和根文件系统映像

　　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单元中读取数据一样，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：其中count为根文件系统映像的大小或内核映像的大小。

　　3.4 内核的启动参数的设置

　　内核启动可以从NAND FLASH（NOR FLASH）中启动运行Linux，需要修改启动命令如下：

　　LCD启动参数一般都包括root，init和console。noinitrd不使用ramdisk。root根文件系统在MTD分区。Init内核运行入口命令文件。co-nsol内核信息控制台，ttys0表示串行口0;tty0表示虚拟终端。

　　4 结语

　　通过对Boot Loader的分析可以看出，设计一个性能优良的Boot Loader可以提高系统的稳定性及实时性，它是嵌入式开发中不可或缺的一部分。只有设计出一个稳定的Boot Loader，才能进行下一步的系统开发工作，直至完成整个嵌入式系统的开发。设计Boot Loader是一项很复杂的工作，需要对硬件资源和所用的操作系统有很深的理解。