Boot Loader.ppt
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1、Boot Loader,xlanchen2006.5.25,xlanchen2006.5.25,2,主要内容,本章从以下四个方面来讨论嵌入式系统的 Boot Loader,包括: Boot Loader 的概念 Boot Loader 的主要任务 Boot Loader 的框架结构 Boot Loader 的安装 部分开源的boot loader,xlanchen2006.5.25,3,嵌入式Linux的软件层次,在专用的嵌入式板子上运行 GNU/Linux 系统已变得越来越流行。 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: 引导加载程序。 包括固化在固件(firmwar
2、e)中的 boot 代码(可选)和 Boot Loader 两大部分 Linux内核。 特定于嵌入式板子的定制内核及内核的启动参数,xlanchen2006.5.25,4,嵌入式Linux的软件层次(contd),文件系统。 包括根文件系统和建立于 Flash 内存设备之上的文件系统 通常用RAM-Disk来作为根文件系统 用户应用程序。 特定于用户的应用程序,xlanchen2006.5.25,5,嵌入式GUI,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(GUI)。 常用的嵌入式 GUI 有: MicroWindows 和 MiniGUI等。,xlanchen2006.
3、5.25,6,引导加载程序,引导加载程序是系统加电后运行的第一段软件代码 例如PC 机的引导加载程序,包括 BIOS(其本质就是一段固件程序) 位于硬盘 MBR 中的 OS Boot Loader 比如LILO、GRUB 等。 BIOS的主要任务是 进行硬件检测和资源分配 将MBR中的OS Boot Loader读到系统的 RAM 中 将控制权交给 OS Boot Loader Boot Loader 的主要运行任务是 将内核映象从硬盘上读到 RAM 中 跳转到内核的入口点去运行,也即启动操作系统。,xlanchen2006.5.25,7,引导加载程序(contd),在嵌入式系统中 通常并没有
4、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 整个系统的加载启动任务完全由 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。,xlanchen2006.5.25,8,Boot Loader 的概念,Boot Loader 是在操作系统内核运行之前运行的第一段小程序。 初始化硬件设备 建立内存空间的映射图 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。
5、 加载操作系统内核映象到RAM中,并将系统的控制权传递给它 例如:Linux,xlanchen2006.5.25,9,通用的Boot Loader,在嵌入式世界里建立一个通用的 Boot Loader 几乎是不可能的 Boot Loader 对硬件的依赖性非常强,特别是在嵌入式系统世界中 尽管如此,仍可对 Boot Loader 归纳出一些通用的概念,以指导用户特定的 Boot Loader 设计与实现。,xlanchen2006.5.25,10,支持的 CPU 和嵌入式板,Boot Loader依赖于CPU 的体系结构 不同的CPU体系结构都有不同的Boot Loader 有些 Boot L
6、oader 也支持多种CPU体系结构 例如U-Boot同时支持ARM和MIPS体系结构 具体的嵌入式板级设备的配置 对于两块不同的嵌入式板,即使它们基于同一种 CPU,要想让运行在一块板子上的 Boot Loader也能运行在另一块板子上,通常也都需要修改 Boot Loader源程序,xlanchen2006.5.25,11,Boot Loader 的安装媒介,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。 基于 CPU 构建的嵌入式系
7、统通常都有某种类型的固态存储设备被映射到这个预先安排的地址上。 比如:ROM、EEPROM 或 FLASH 等 因此在系统加电后,CPU 将首先执行 Boot Loader 程序。,xlanchen2006.5.25,12,固态存储设备的 典型空间分配结构图,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,xlanchen2006.5.25,13,Boot Loader 的安装,烧写boot loader程序 一般通过jtag烧写 需要jtag连接器和PC端的烧写程序,xlanchen2006.5.25,14,控制 Boot L
8、oader 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。 最常用的串口通信软件 Linux:minicom Windows:附件中的超级终端,xlanchen2006.5.25,15,Boot Loader 的启动过程,Boot Loader的启动过程可以是 单阶段(Single Stage)或 一些只需完成很简单功能的boot loader可能是单阶段的 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
9、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 stage1 和 stage2 两部分,xlanchen2006.5.25,16,Boot Loader 的操作模式,大多数 Boot Loader 包含两种不同的操作模式 启动加载(Boot loading)模式和 下载(Downloading)模式 这种区别仅对于开发人员才有意义 从最终用户的角度看,Boot Loader 的作用就是加载操作系统,并不存在上述两种模式的区别,xlanchen2006.5.25,17,启动加载模式,也称为自主(Autonomous)模式 Boot Loader
10、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 在嵌入式产品发布时,Boot Loader必须工作在该模式下,xlanchen2006.5.25,18,下载模式,目标机的 Boot Loader通过串口或网络等通信手段从主机(Host)下载文件 比如内核映像和根文件系统映像 Hosttarget ram target FLASH 该模式的使用时机 通常在第一次安装内核与根文件系统时被使用 也用于此后的系统更新 工作于该模式下的 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,
11、xlanchen2006.5.25,19,Boot Loader 的操作模式(contd),一些功能强大的 Boot Loader 通常 同时支持这两种工作模式 如Blob和U-Boot 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。,xlanchen2006.5.25,20,与boot loader两种模式相关的问题,uClinux包编译好后,可根据需要编译出各种镜像文件 也就是按照板子内存预定位置 生成
12、的二进制映象,一般是内核和文件系统的复合体 常见有 image.ram(常称为ram版内核)和 image.rom(常称为rom版内核) 通过在make时指定的不同编译选项生成,xlanchen2006.5.25,21,ram版内核,一般不压缩,通过bootloader加载到目标板内存的指定位置,然后可用bootloader跳转过去就把uclinux引导启动了 bootloaderram版内核 内核/驱动相关调试期间常用方式,xlanchen2006.5.25,22,rom版内核,不严格的理解可以说是把bootloaderram版烧写到flash内 上电或reset后首先执行bootloade
13、r初始化硬件功能,然后把压缩的内核映象解压释放到sdram指定地址,接着自动引导内核,启动uclinux 调试应用软件常用rom版镜像。,xlanchen2006.5.25,23,BootLoader 与主机之间进行文件传输所用的通信设备及协议,最常见通信设备是串口 传输协议通常是 xmodem、ymodem、zmodem之一。 但串口传输的速度有限 更好的选择是以太网 使用TFTP 协议 主机方必须有一个软件提供 TFTP 服务,xlanchen2006.5.25,24,Boot Loader的主要任务,系统假设:内核映像与根文件系统映像都被加载到 RAM 中运行。 尽管在嵌入式系统中它们也
14、可直接运行在 ROM 或 Flash这样的固态存储设备中。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。,xlanchen2006.5.25,25,Boot Loader的典型结构框架,由于 Boot Loader 的实现依赖于 CPU 体系结构,大多数 Boot Loader 都分为 stage1 和 stage2 两大部分 Stage1 依赖于 CPU 体系结构,如设备初始化代码 通常用汇编语言实现,短小精悍 Stage2 通常用C语言 可以实现复杂功能 代码具有较好的可读性和可移植性,xlanchen2006.5
15、.25,26,Boot Loader的stage1,Stage1直接运行在固态存储设备上,通常包括以下步骤 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,xlanchen2006.5.25,27,Stage1:硬件初始化,这是 Boot Loader 一开始就执行的操作 目的:为 stage2及kernel的执行准备好基本硬件环境 通常包括 屏蔽所有的中断 为中断提供服务通常是 OS或设备驱动程序的责任,在 Boot Loader阶段不必响应任何中断 中断
16、屏蔽可以通过写 CPU 的中断屏蔽寄存器或状态寄存器来完成 比如 ARM 的 CPSR 寄存器,xlanchen2006.5.25,28,Stage1:硬件初始化(contd),设置 CPU 的速度和时钟频率 RAM 初始化 包括正确地设置系统中内存控制器的功能寄存器以及各CPU外的内存(Memory Bank)的控制寄存器等。 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。若板子上无LED,也可通过初始化UART向串口打印Boot Loader的 Logo字符信息来完成这一点。 关闭 CPU 内部指令数据 cache,xlanche
17、n2006.5.25,29,Stage1:为stage2 准备 RAM 空间,为获得更快的执行速度,通常stage2被加载到 RAM 中执行 因此必须为加载 stage2 准备好一段可用的 RAM 空间 空间大小,应考虑 stage2 可执行映象的大小+堆栈空间 因为stage2 通常是 C 语言代码 此外,最好对齐到memory page大小(通常是 4KB) 一般而言1MB已足够,xlanchen2006.5.25,30,Stage1:为stage2 准备 RAM 空间,具体的地址范围可以任意安排 比如 blob 将它的 stage2 可执行映像安排系统的RAM中0xc0200000开始的
18、1M 空间内 值得推荐的是 可以将 stage2 安排到整个RAM空间的最顶1MB 也即(RamEnd-1MB)开始处 假设 空间大小:stage2_size(字节) 起始和终止地址分别为:stage2_start 和 stage2_end(均与4 字节对齐) 则有:stage2_endstage2_startstage2_size,xlanchen2006.5.25,31,Stage1:为stage2准备RAM空间,必须确保所安排的地址范围的确为可读写的 RAM 空间,即必须进行有效性测试 Blob的内存有效性测试方法: 记为test_mempage: 以内存页为被测单位,测试每个页面头两个
19、字是否可读写,xlanchen2006.5.25,32,test_mempage,1 保存被测页面头两个字的内容。 2 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。 3 立即将这两个字的内容读回。应当与写入的内容一致,否则此页面地址范围不是一段有效的 RAM 空间 4 再次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。 5 立即将这两个字的内容读回。判断依据同3 6 恢复这两个字的原始内容。,xlanchen2006.5.25,33,Stage1:为stage2准备RAM空间,测试结束后,为了得到一段干净的
20、 RAM 空间范围,可以将所安排的 RAM 空间范围进行清零操作。,xlanchen2006.5.25,34,Stage1:拷贝 stage2 到 RAM 中,拷贝时要确定: 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 RAM 空间的起始地址,xlanchen2006.5.25,35,Stage1:设置堆栈指针 sp,对C 语言编写的程序应当准备运行堆栈 通常设置在上述1MB RAM 空间的最顶端 sp=(stage2_end-4) 注:堆栈是向下生长的此外,在设置堆栈指针前,也可关闭 led 灯,以提示用户即将跳转到 stage2。,xlanchen2006.5.25,3
21、6,系统的物理内存布局,经过上述步骤后,系统的物理内存布局应该如下图所示,xlanchen2006.5.25,37,Stage1: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,xlanchen2006.5.25,38,关于C入口点的疑惑,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,不能使用 gli
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