嵌入式系統(tǒng)BootLoa1.ppt

嵌入式系統(tǒng)BootLoader,BootLoader,Boot loader是與系統(tǒng)硬件環(huán)境高度相關(guān)的初始化軟件，它擔(dān)負(fù)著初始化硬件和引導(dǎo)操作系統(tǒng)的雙重責(zé)任。 每一個(gè)特定系統(tǒng)的Boot loader都會(huì)有所不同。 Boot loader移植是在特定硬件平臺(tái)上操作系統(tǒng)移植至關(guān)重要的一步，是引導(dǎo)操作系統(tǒng)和根文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 對(duì)了解嵌入式系統(tǒng)底層運(yùn)行機(jī)制、優(yōu)化和快速啟動(dòng)的研究都有重要的意義。,PC 機(jī)中的引導(dǎo)加載程序,兩部分組成 BIOS(其本質(zhì)就是一段固件程序) 位于硬盤(pán) MBR 中的 OS Boot Loader（如LILO 和 GRUB 等） 流程 BIOS 在完成硬件檢測(cè)和資源分配后，將硬盤(pán) MBR 中的 Boot Loader 讀到系統(tǒng)的 RAM 中，然后將控制權(quán)交給 OS Boot Loader Boot Loader 的主要運(yùn)行任務(wù)就是將內(nèi)核映象從硬盤(pán)上讀到 RAM 中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點(diǎn)去運(yùn)行，即開(kāi)始啟動(dòng)操作系統(tǒng)。,嵌入式系統(tǒng)中引導(dǎo)加載程序,系統(tǒng)的加載啟動(dòng)任務(wù)就完全由 Boot Loader 來(lái)完成 ARM7TDMI中，系統(tǒng)在上電或復(fù)位時(shí)從地址 0x00000000 處開(kāi)始執(zhí)行,這個(gè)地址是Boot Loader 程序 典型的嵌入式系統(tǒng) boot loader Blob: boot loader object的縮寫(xiě) 開(kāi)源，遵循GPL，很好的Linux loader，主要針對(duì)ARM U-boot：universal boot loader的縮寫(xiě)， 開(kāi)源，遵循GPL，支持ARM,MIPS，X86，Nios等處理器 可啟動(dòng)VxWorks, QNX, Linux等多種操作系統(tǒng),Boot Loader 的概念,在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序 功能 初始化硬件設(shè)備 建立內(nèi)存空間的映射圖 調(diào)整系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境，以便操作系統(tǒng)內(nèi)核啟動(dòng) 不通用 依賴于硬件CPU 依賴于主板board 不同的 CPU有不同的Boot Loader 有些 BootLoader 支持多CPU，如U-Boot支持ARM和MIPS,固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備的典型空間分配結(jié)構(gòu),Boot Loader 的執(zhí)行,第一條指令 eg：地址 0x00000000 嵌入式系統(tǒng)通常有固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備(比如：ROM、EEPROM 或 FLASH 等)被映射到這個(gè)預(yù)先安排的地址上 系統(tǒng)加電后，CPU 將首先執(zhí)行 Boot Loader 程序,用來(lái)控制 Boot Loader 的設(shè)備或機(jī)制,主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間一般通過(guò)串口建立連接 Boot Loader執(zhí)行時(shí)通常會(huì)通過(guò)串口進(jìn)行 I/O 如輸出打印信息到串口，從串口讀取用戶控制字符等,Boot Loader 的啟動(dòng)過(guò)程,從固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上啟動(dòng)的 Boot Loader 大多都是 2 階段 啟動(dòng)過(guò)程可以分為 stage 1和 stage 2 兩部分 BOOTLOADER一般分為2部分 匯編部分執(zhí)行簡(jiǎn)單的硬件初始化 C語(yǔ)言部分負(fù)責(zé)復(fù)制數(shù)據(jù),設(shè)置啟動(dòng)參數(shù),串口通信等功能 BOOTLOADER的生命周期 1. 初始化硬件,如設(shè)置UART(至少設(shè)置一個(gè)),檢測(cè)存儲(chǔ)器等 2. 設(shè)置啟動(dòng)參數(shù),告訴內(nèi)核硬件的信息,如顯示控制臺(tái)LCD或串口、VGA等. 3. 跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)的首地址. 4. 消亡,Boot Loader 的操作模式,啟動(dòng)加載模式 自主（Autonomous）模式 從目標(biāo)機(jī)上的某個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到 RAM 中運(yùn)行 Boot Loader 的正常工作模式 下載模式 通過(guò)串口連接或網(wǎng)絡(luò)連接等通信手段從主機(jī)（Host）下載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像等。 從主機(jī)下載的文件通常首先被 Boot Loader 保存到目標(biāo)機(jī)的 RAM 中，然后再被 BootLoader 寫(xiě)到目標(biāo)機(jī)上的FLASH 類固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備中。 第一次安裝內(nèi)核與根文件系統(tǒng)時(shí)或?qū)ζ涓聲r(shí)使用 通常都會(huì)向它的終端用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單的命令行接口,BootLoader 與主機(jī)之間進(jìn)行文件傳輸所用的通信設(shè)備及協(xié)議,通常Boot Loader 通過(guò)串口與主機(jī)之間進(jìn)行文件傳輸 傳輸協(xié)議 通常是 xmodemymodemzmodem 協(xié)議中的一種 可通過(guò)以太網(wǎng)連接并借助 TFTP 協(xié)議來(lái)下載文件 串口傳輸?shù)乃俣仁怯邢薜?主機(jī)提供 TFTP 服務(wù),Boot Loader 的主要任務(wù),stage1 通常包括以下步驟 硬件設(shè)備初始化 為加載 Boot Loader 的 stage2 準(zhǔn)備 RAM 空間 拷貝 Boot Loader 的 stage2 到 RAM 空間中 設(shè)置好堆棧 跳轉(zhuǎn)到 stage2 的 C 入口點(diǎn) Boot Loader 的 stage2 通常包括以下步驟 初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備 檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存映射(memory map) 將 kernel 和根文件系統(tǒng)映像從 flash 上讀到 RAM 空間中 為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù) 調(diào)用內(nèi)核,stage1，基本的硬件初始化,目的 為 stage2 的執(zhí)行以及隨后的 kernel 的執(zhí)行準(zhǔn)備好一些基本的硬件環(huán)境 1 屏蔽所有的中斷 為中斷提供服務(wù)通常是 OS 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的責(zé)任，Boot Loader 的執(zhí)行全過(guò)程中可以不必響應(yīng)任何中斷 中斷屏蔽可以通過(guò)寫(xiě) CPU 的中斷屏蔽寄存器或狀態(tài)寄存器（如 ARM 的 CPSR 寄存器）來(lái)完成 2 設(shè)置 CPU 的速度和時(shí)鐘頻率。 3 RAM 初始化 包括正確地設(shè)置系統(tǒng)的內(nèi)存控制器的功能寄存器以及各內(nèi)存庫(kù)控制寄存器等。 4 初始化 LED 通過(guò) GPIO 來(lái)驅(qū)動(dòng) LED，其目的是表明系統(tǒng)的狀態(tài)是 OK 還是 Error 如板子上沒(méi)有LED，那么也可以通過(guò)初始化 UART 向串口打印 Boot Loader 的 Logo 字符信息 5 關(guān)閉 CPU 內(nèi)部指令數(shù)據(jù) cache,為加載 stage2 準(zhǔn)備 RAM 空間,通常把 stage2 加載到 RAM 空間中來(lái)執(zhí)行 stage2 通常是 C 語(yǔ)言執(zhí)行代碼，考慮堆?？臻g 空間大小最好是 memory page 大小(通常是 4KB)的倍數(shù) 一般1M RAM 空間已經(jīng)足夠，地址范圍可以任意安排 如 blob 就將 stage2 可執(zhí)行映像從系統(tǒng) RAM 起始地址 0xc0200000 開(kāi)始的 1M 空間內(nèi)執(zhí)行 stage2_endstage2_startstage2_size 對(duì)所安排的地址范圍進(jìn)行測(cè)試 必須確保所安排的地址范圍可讀寫(xiě)的 RAM 空間 測(cè)試方法可以采用類似于 blob 的方法 以 memory page 為被測(cè)試單位，測(cè)試每個(gè) page 開(kāi)始的兩個(gè)字是否是可讀寫(xiě)的,拷貝 stage2 到 RAM 中,拷貝時(shí)要確定兩點(diǎn) (1) stage2 的可執(zhí)行映象在固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備的存放起始地址和終止地址 (2) RAM 空間的起始地址。,設(shè)置堆棧指針 sp (trampoline.S中完成),通常把 sp 的值設(shè)置為(stage2_end-4) 1MB 的 RAM 空間的最頂端(堆棧向下生長(zhǎng)) 在設(shè)置堆棧指針 sp 之前，也可以關(guān)閉 led 燈，以提示用戶我們準(zhǔn)備跳轉(zhuǎn)到 stage2,跳轉(zhuǎn)到 stage2 的 C 入口點(diǎn),可以跳轉(zhuǎn)到 Boot Loader 的 stage2 去執(zhí)行 如在 ARM系統(tǒng)中，這可以通過(guò)修改 PC 寄存器為合適的地址來(lái)實(shí)現(xiàn),Stage2,stage2 的代碼通常用 C 語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn),代碼可讀性和可移植性 不能使用 glibc 庫(kù)中的任何支持函數(shù) Why？ trampoline(彈簧床)編程方式 用匯編語(yǔ)言寫(xiě)一段trampoline 小程序，并將這段 trampoline 小程序來(lái)作為 stage2 可執(zhí)行映象的執(zhí)行入口點(diǎn) 在 trampoline 匯編小程序中用 CPU 跳轉(zhuǎn)指令跳入 main() 函數(shù)中去執(zhí)行 當(dāng)main() 函數(shù)返回時(shí)，CPU 執(zhí)行路徑顯然再次回到我們的 trampoline 程序。 用 trampoline 小程序來(lái)作為 main() 函數(shù)的外部包裹(exter nal wrapper) Why not use main directly 1)無(wú)法傳遞函數(shù)參數(shù)；2)無(wú)法處理函數(shù)返回,blob 的trampoline 程序示例,.text .globl _trampoline _trampoline: bl main /* if main ever returns we just call it again */ b _trampoline,Stage2,初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備,1初始化至少一個(gè)串口，以便終端用戶進(jìn)行 I/O 輸出信息 2初始化計(jì)時(shí)器等 在初始化這些設(shè)備之前，也可以重新把 LED 燈點(diǎn)亮，以表明我們已經(jīng)進(jìn)入main() 函數(shù)執(zhí)行 設(shè)備初始化完成后，可以輸出一些打印信息，程序名字字符串、版本號(hào)等,檢測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)存映射（memory map）,在 4GB 物理地址空間中哪些地址范圍被分配用來(lái)尋址系統(tǒng)的RAM 單元 在Samsung S3C44B0X 中，從0x0c00,0000 (192M)到 0x1000,0000(256M) 之間的 64M 地址空間被用作系統(tǒng)的 RAM 地址空間 嵌入式系統(tǒng)往往只把 CPU 預(yù)留的全部 RAM 地址空間中的一部分映射到 RAM 單元上，而讓剩下的那部分預(yù)留 RAM 地址空間處于未使用狀態(tài) Boot Loader 的 stage2 必須檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)存映射情況 必須知道 CPU 預(yù)留的全部 RAM 地址空間中的哪些被真正映射到 RAM 地址單元，哪些是處于 “unused“ 狀態(tài)的,加載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像,1 規(guī)劃內(nèi)存占用的布局 內(nèi)核映像所占用的內(nèi)存范圍 根文件系統(tǒng)所占用的內(nèi)存范圍 2從 Flash 上拷貝,內(nèi)存布局,flash布局,include/blob/arch/mba44b0.h,37 #define SDRAMSIZE (8) 38 39 /* the base address were BLOB is loaded by the first stage loader */ 40 #define BLOB_ABS_BASE_ADDR (0x0c200400) 41 42 /* where do various parts live in RAM */ 43 #define BLOB_RAM_BASE (0x0c100000) 44 #define KERNEL_RAM_BASE (0x0c300000) 45 #define PARAM_RAM_BASE (0x0c110000) 46 #define RAMDISK_RAM_BASE (0x0c400000) 47 48 /* and where do they live in flash */ 49 #define BLOB_FLASH_BASE (0x00000000) 50 #define BLOB_FLASH_LEN (60 * 1024) 51 #define PARAM_FLASH_BASE (BLOB_FLASH_BASE + BLOB_FLASH_LEN) 52 #define PARAM_FLASH_LEN (4 * 1024) 53 #define KERNEL_FLASH_BASE (PARAM_FLASH_BASE + PARAM_FLASH_LEN) 54 #define KERNEL_FLASH_LEN (704 * 1024) 55 #define RAMDISK_FLASH_BASE (KERNEL_FLASH_BASE + KERNEL_FLASH_LEN) 56 #define RAMDISK_FLASH_LEN (1280 * 1024) 57 58 /* the position of the kernel boot parameters */ 59 #define BOOT_PARAMS (0x0c000100),設(shè)置內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù),Linux 2.4.x 以后的內(nèi)核都期望以標(biāo)記列表(tagged list)的形式來(lái)傳遞啟動(dòng)參數(shù) 啟動(dòng)參數(shù)標(biāo)記列表以標(biāo)記 ATAG_CORE 開(kāi)始，以標(biāo)記 ATAG_NONE 結(jié)束 每個(gè)標(biāo)記由標(biāo)識(shí)被傳遞參數(shù)的 tag_header 結(jié)構(gòu)以及隨后的參數(shù)值數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)組成 在嵌入式 Linux 系統(tǒng)中，通常需要由 Boot Loader 設(shè)置的常見(jiàn)啟動(dòng)參數(shù)有：ATAG_CORE、 ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等,調(diào)用內(nèi)核,直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的第一條指令處 在跳轉(zhuǎn)時(shí)，下列條件要滿足 1 CPU 寄存器的設(shè)置 R00；R1機(jī)器類型 ID；R2啟動(dòng)參數(shù)標(biāo)記列表在 RAM 中起始基地址 2 CPU 模式 必須禁止中斷（IRQs和FIQs）； CPU 必須 SVC 模式； 3 Cache 和 MMU 的設(shè)置 MMU 必須關(guān)閉； 指令 Cache 可以打開(kāi)也可以關(guān)閉； 數(shù)據(jù) Cache 必須關(guān)閉,串口終端,調(diào)試手段:打印信息到串口終端 串口終端顯示亂碼或根本沒(méi)有顯示 (1) boot loader 對(duì)串口的初始化設(shè)置不正確。 (2) 運(yùn)行在 host 端的終端仿真程序?qū)Υ诘脑O(shè)置不正確，這包括：波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位和停止位等方面的設(shè)置,BLOB移植需要修改的文件,詳見(jiàn)4.3節(jié),Blob編譯與下載實(shí)驗(yàn),詳見(jiàn)4.4節(jié),U-boot,德國(guó)DENX軟件工程中心的Wolfgang De