第10章 Bootloader 设计基础,10.1 Bootloader 概述,Bootloader，启动引导程序，又叫引导加载程序，功能强大的Bootloader也就直接叫做板级支持包（BSP,Board Support Packet）或者固件(Firmware)近年来，为了方便嵌入式产品的推广，也有些直接将Bootloader叫做BIOSBIOS是PC机的“基本输入输出系统”，烧录在电脑主板上一块专门的芯片中一般BIOS由主板厂商或者专门的BIOS生产商提供，不是开源的，用户不能修改其中的代码进行定制而嵌入式系统的开发则离不开Bootloader的开发，它也是整个系统开发中的难点之一10.1.1 Bootloader 的作用,Bootloader是在嵌入式操作系统内核运行之前运行的一段小程序，也是系统开机后执行的第一段程序通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间，从而将系统的软硬件环境设置成一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境Bootloader是依赖于底层硬件而实现的，因此建立一个通用的嵌入式系统Bootloader几乎是不可能的 在PC机中，主板的BIOS和位于硬盘0磁道上的主引导记录(Master Boot Record, MBR)中的引导程序（如LILO或GRUB等）,两者一起的作用就相当于Bootloader在嵌入式系统中的作用，即实现整个系统的启动引导，并最终能引导操作系统的运行。
10.1.1 Bootloader 的作用,在嵌入式系统中，Bootloader对嵌入式设备中的主要部件如CPU、SDRAM、FLASH、串口等进行了初始化，这样可以使用Bootloader通过串口下载各种文件到设备的SDRAM中或者烧录Flash，然后将操作系统内核读入到内存中来或者直接跳转到内核的入口点，从而实现操作系统的引导现在有些Bootloader也把对以太网的支持等功能也加进去了，这样一个功能比较强大的Bootloader实际上就已经相当于一个微型的操作系统了10.1.1 Bootloader 的作用,Bootloader从第一条指令跳转后，就开始初始化各种最重要的硬件，比如CPU的工作频率、定时器、中断、看门狗、检测RAM大小和Flash等一般，硬件初始化的这段程序是用汇编语言编写的，其后就用C语言编写总体上Bootloader主要完成以下工作：,10.1.1 Bootloader 的作用,初始化CPU速度； 初始化内存，包括启用内存库，初始化内存配置寄存器等； 初始化中断控制器，在系统启动时，关闭中断，关闭看门狗； 初始化串行端口（如果在目标上有的话）； 启用指令/数据高速缓存； 设置堆栈指针； 设置参数区域并构造参数结构和标记,即引导参数； 执行POST（上电自检）来标识存在的设备并报告有何问题； 为电源管理提供挂起/恢复支持； 传输操作系统内核镜像文件到目标机。
也可以将操作系统内核镜像文件事先存放在Flash中，这样就不需要Bootloader和主机传输操作系统内核镜像文件，这通常是在做成产品的情况下使用而一般在开发过程中，为了调试内核的方便，不将操作系统内核镜像文件固化在Flash中，这就需要主机和目标机进行文件传输； 跳转到内核的开始，在此又分为ROM启动和RAM启动所谓ROM启动就是用XIP技术直接在Flash中执行操作系统镜像文件；所谓RAM启动就是指把内核镜像从Flash复制到RAM中，然后再将PC指针跳转到RAM中的操作系统启动地址10.1.1 Bootloader 的作用,在嵌入式Linux软件系统的开发中，一般将软件分为启动引导程序(Bootloader)、操作系统内核(OS Kernel)、根文件系统(File System)、图形窗口系统(GUI)和应用程序(AP)等几个部分，其中前三部分是一个可运行的嵌入式系统必不可少的， 它们在开发的过程中，被分别独立地编译链接或打包为一个二进制目标文件，然后下载（烧录）到嵌入式系统的ROM（一般是Flash）中后两部分如果有的话， 通常也是和根文件系统一 起打包后烧录到Flash中 因此，在Bootloader阶段， 也提供了对Flash设备的分 区格式化的支持，其空间 分配通常如图所示。
10.1.2 Bootloader 的工作模式,对于嵌入式系统的开发人员而言，Bootloader通常包含“启动加载”和“下载”这两种不同的工作模式当然，这两种工作模式的区别一般仅仅对于开发人员才有意义，而对最终用户来说，Bootloader 的作用就是用来加载操作系统，从而启动整个嵌入式系统10.1.2 Bootloader 的工作模式,启动加载（Boot loading）模式 －－正常启动模式 下载（Downloading）模式 －－提供给开发人员或者技术支持人员使用,10.1.3 Bootloader 的启动流程,分为stage1和stage2两个阶段 一般依赖于 CPU 体系结构的代码，比如设备初始化代码等，都放在stage1中，而且通常都用汇编语言来实现，以达到短小精悍且启动快的目的；而 stage2 则通常用C语言来实现，这样可以实现各种复杂的功能（比如串口、以太网接口的支持等）,Bootloader的第一阶段,1. 硬件设备初始化 2. 为加载 Bootloader 的 stage2 准备 RAM 空间 3. 拷贝 Bootloader的 stage2 到 RAM 空间中 4. 设置好堆栈 5.跳转到 stage2 的 C 入口点main()函数处,Bootloader的第二阶段,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,10.2 S3C2410 平台下Linux的Bootloader,Vivi U-BOOT,10.2 S3C2410 平台下Linux的Bootloader,1. vivi简介 vivi是由韩国mizi公司为ARM处理器系列设计的一个bootloader。
它同样支持启动加载模式和下载工作模式 在下载模式下，vivi为用户提供一个命令行人机接口，通过这个人机接口可以使用vivi提供的一些命令如果嵌入式系统没有键盘和显示，那么可以利用vivi中的串口，将其和宿主机连接起来，利用宿主机中的串口软件（如windows中的超级终端或者Linux中的minicom）来控制10.2.1 vivi,vivi常用的命令 Load,Part,bon,Param,Boot,Flash,vivi文件结构 代码包括arch，init，lib，drivers和include等几个目录，共200多条文件 vivi的配置和编译 #make distclean清除一些早先生成的无用的目标文件 #make menuconfig然后可以根据菜单中的信息进行配置 make”命令开始编译,10.2.1 vivi,10.2.1 vivi,3. vivi的配置和编译 vivi的配置和嵌入式Linux内核一样，可以采用菜单化的形式进行其步骤主要如下： ① #make distclean清除一些早先生成的无用的目标文件 ② #make menuconfig然后可以根据菜单中的信息进行配置。
编译菜单配置完毕后，保存退出然后执行“make”命令开始编译10.2.1 vivi,vivi的第一阶段主要完成了依赖于CPU的体系结构硬件初始化，包括禁止中断、初始化串口、复制第二阶段到RAM中等由于这些代码是和硬件紧密相关的,因此要求读者在阅读时对照S3C2410处理器的数据手册,查阅相关的寄存器的描述，以便更好地理解这些汇编代码全部就集中在vivi\arch\s3c2410目录下的head.S这一个汇编文件中，当然还有相关的头文件10.2.1 vivi,vivi第二阶段的分析 vivi的第二阶段的入口就是init/main.c，按照源代码的组织流程，根据模块化划分的原则，共分为8个功能模块即八个步骤，在源代码的注释中以step非常清晰的给出了区分10.2.1 vivi,第一步：vivi从main()函数开始执行，函数开始通过 putstr(vivi_bannner)打印出vivi的版本 第二步：主要是初始化GPIO，本的思路和方法就是在把握好整个系统硬件资源的前提下，根据芯片的数据手册把所有的初始值设定，在这里利用set_gpios这个函数就可以完成初始化了10.2.1 vivi,第三步：进行内存映射初始化和内存管理单元（MMU）的初始化工作 第四步：初始化堆，然后内存会发生变化。
在这里，实际上就是实现动态内存分配策略10.2.1 vivi,第五步：初始化mtd设备 第六步：配置参数，主要是init_priv_data函数 第七步：提供vivi人机接口的各种命令 第八步：进入Bootloader的两种模式之一.,10.2.2 U-boot,U-Boot，全称Universal Bootloader，是遵循GPL条款的开放源码项目 它还支持NetBSD, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS, LynxOS等嵌入式操作系统其目前主要支持的目标操作系统有OpenBSD, NetBSD, FreeBSD,4.4BSD, Linux, SVR4, Esix, Solaris, Irix, SCO, Dell, NCR, VxWorks, LynxOS, pSOS, QNX, RTEMS, ARTOS等，因此功能比较强大，这也是U-Boot中Universal的一层含义10.2.2 U-boot,U-Boot的主要特点有： ① 开放源码； ② 支持多种嵌入式操作系统内核，如Linux、NetBSD, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS, LynxOS； ③ 支持多个处理器系列，如PowerPC、ARM、x86、MIPS、XScale； ④ 较高的可靠性和稳定性； ④ 较高的可靠性和稳定性； ⑤ 高度灵活的功能设置，适合U-Boot调试、操作系统不同引导要求、产品发布等； ⑥ 丰富的设备驱动源码，如串口、以太网、SDRAM、FLASH、LCD、NVRAM、EEPROM、RTC、键盘等； ⑦ 较为丰富的开发调试文档与强大的网络技术支持；,10.2.2 U-boot,常用命令 :Help/ ? Bdinfo setenv printenv saveenv mw md mm flin foerase[起始地址 结束地址]. cp[源地址 目标地址大小] imi[起始地址] bootm[起始地址] tftboot[起始地址 镜像名] reset,10.2.2 U-boot,U-boot文件结构 U-boot代码采用了一种高度模块化的编程方式,与移植树有关的有以下几个目录. board：这个目录存放了所有U-boot支持的目标板的子目录,如board/smdk2410/*就是我们说关心的.要将U-boot移植到自己的s3c2410x目标板上,必须参考这个目录下的内容,比如对比Flash以及Flash宽度和大小的定制邓就要修改其中的flash.c。
common： 独立于处理器体系结构的通用代码，如内存大小探测与故障检测； cpu：与处理器相关的文件如mpc8xx子 目录下含串口、网口、LCD驱动及中断初始化等文件；,10.2.2 U-boot,driver： 通用设备驱动，如CFI FLASH 驱动(目前对INTEL FLASH支持较好) fs：这个目录中存放了U-boot支持的文件系统. examples：可在U-Boot下运行的示例程序；如hello_world.c,timer.。