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1、第10课 bootloader介绍（含VIVI）,VIVI,课程内容介绍,PART I： Boot loader概述 PART II： VIVI PART III：VIVI基本命令介绍 PART IV：本章小结,PART I,Bootloader概述,1.1 Bootloader简介,引导加载程序（Bootloader）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(master boot record)中的OS BootLoader（比如，LILO 和 GRUB 等）一起组成。BIOS
2、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像从硬盘上读到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。（用图来演示PC的启动过程）,1.1 Bootloader简介,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BootLoader来完成。比如在一个基于ARM 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
3、行，而在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader程序。（演示通信系统的一般系统启动过程） 本节将从BootLoader的概念和启动过程来讨论嵌入式系统的BootLoader。,1.1 Bootloader简介,1.1.1 BootLoader的概念 简单地说，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，BootLoader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
4、Loader几乎是不可能的。尽管如此，我们仍然可以对BootLoader归纳出一些通用的概念来，以指导用户特定的 BootLoader设计与实现。,1.1 Bootloader简介,1、BootLoader所支持的CPU和嵌入式单板 每种不同的CPU体系结构都有不同的BootLoader。有些BootLoader也支持多种体系结构的CPU，比如U-Boot就同时支持ARM、PPC和MIPS 等一系列体系结构。除了依赖于CPU的体系结构外，BootLoader实际上也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。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构建的，要想让运行在一块板子上的
5、BootLoader程序也能运行在另一块板子上，通常也都需要修改BootLoader的源程序。,1.1 Bootloader简介,2、BootLoader的安装 系统加电或复位后，所有的CPU通常都从CPU制造商预先安排的地址上取指令。比如，ARM系列CPU在复位后都从地址0x00000000取它的第一条指令。而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）被安排在这个起始地址上，因此在系统加电后，CPU将首先执行BootLoader程序。,1.1 Bootloader简介,一个同时装有 BootLoader、内核的启动参数、内核映像和根文件系统映像的固态
6、存储设备的典型空间分配结构图(这个图是Linux的典型配置,不同的系统配置可以不同):,1.1 Bootloader简介,3、用来控制BootLoader的设备或机制 串口通讯是最简单也是最廉价的一种双机通讯设备，所以往往在BootLoader中主机和目标机之间都通过串口建立连接，BootLoader程序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。当然如果认为串口通讯速度不够，也可以采用网络或者USB通讯，那么相应的在BootLoader中就需要编写各自的驱动。,1.1 Bootloader简介,4、BootLoader的启动过程 BootLoade
7、r的启动过程分为单阶段（Single Stage）和多阶段（Multi-Stage）两种。通常多阶段的BootLoader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BootLoader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。至于在 stage 1 和 stage 2中具体完成哪些任务，将在下一小节中具体讨论。,1.1 Bootloader简介,5、BootLoader的操作模式 大多数 BootLoader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，Boo
8、tLoader的作用就是用来加载操作系统的，而并不存在所谓的启动加载模式与下载工作模式的区别。,1.1 Bootloader简介,启动加载（Boot loading）模式：这种模式也称为“自主”（Autonomous）模式。即BootLoader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 BootLoader的正常工作模式，因此在嵌入式产品发布的时侯，BootLoader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 BootLoader将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机（Host）下载文
9、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 BootLoader保存到目标机的 RAM 中，然后再被BootLoader写到目标机上的FLASH 类固态存储设备中。BootLoader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BootLoader的这种工作模式。工作于这种模式下的BootLoader通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。,1.1 Bootloader简介,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 BootLoader通过串口与主机之间进行文件传输，传
10、输协议通常是 xmodemymodemzmodemkermit 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。（问题：TFTP协议是在第几层？它是基于那一个协议的？） 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提供 TFTP 服务(tftpserver)。,1.1 Bootloader简介,1.1.2 BootLoader 的启动过程 BootLoader 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 Boo
11、tLoader 的 stage2 准备 RAM 空间。 拷贝 BootLoader 的 stage2 到 RAM 空间中。 设置好堆栈。 跳转到 stage2 的 C 入口点。,1.1 Bootloader简介,BootLoader 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（比如网络和串口）。 检测系统内存映射(memory map)，得知内存的大小等信息。 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。(这个后面会讲) 调用内核。,1.1 Bootloader简介,1、BootLoader
12、的 stage1（通常用汇编来写） a）基本的硬件初始化 这是 BootLoader 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）： 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 BootLoader 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。,1.1 Bootloader简介,设置 CPU 的速度和时钟频率。 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
13、及各内存库控制寄存器等。 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 BootLoader 的 Logo 字符信息来完成这一点。 关闭 CPU 内部指令数据 cache。,1.1 Bootloader简介,b）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 BootLoader 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
14、此在考虑空间大小时，除了 stage2 可执行映像的大小外，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)的倍数。一般而言，1M 的 RAM 空间已经足够了。,1.1 Bootloader简介,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： 先保存
15、 memory page 一开始两个字的内容。 向这两个字中写入任意的数字。比如：向第一个字写入 0x55，第 2 个字写入 0xaa。,1.1 Bootloader简介,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。 再向这两个字中写入任意的数字。比如：向第一个字写入 0xaa，第 2 个字中写入 0x55。 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
16、围不是一段有效的 RAM 空间。 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。,1.1 Bootloader简介,c）拷贝stage2到RAM中 拷贝时要确定两点：(1) stage2 的可执行映像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。 d）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b）中所安排的那个 1MB 的 RAM 空间的最顶端（最大处）（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。,1.1 Bootloader简介,e）跳转到stage2的C入口点 在上述一切都就绪后，就可以跳转到 BootLoader 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。,1.1 Bootloader简介,执行完Stage_1以后的内存情况：,1.1 Bootl
