嵌入式BootLoader技术基础

一、Bootloader基本概念
Bootloader是在操作系统运行之前执行的一段小程序。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表，从而建立适当的系统软硬件环境，为最终调用操作系统内核做好准备。

对于嵌入式系统，Bootloader是基于特定硬件平台来实现的。因此，几乎不可能为所有的嵌入式系统建立一个通用的Bootloader，不同的处理器架构都有不同的Bootloader。Bootloader不但依赖于CPU的体系结构，而且依赖于嵌入式系统板级设备的配置。对于2块不同的嵌入式板而言，即使它们使用同一种处理器，要想让运行在一块板子上的Bootloader程序也能运行在另一块板子上，一般也都需要修改Bootloader的源程序。

嵌入式系统中，Bootloader的意义与作用与PC上的BIOS有点类似，它对开发板上的主要部件如CPU、SDRAM、FLASH、串口等进行了初始化，可以使用Bootloader下载文件到开发板，可以浏览目录，可以烧录flash，可以启动系统等，实际上，一个功能比较强大的Bootloader已经相当于一个微型的操作系统了。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。引导程序完成自己的任务后，也将控制权移交给操作系统。

二、Bootloader典型框架

由于Bootloader的实现依赖与CPU的体系结构，因此大多数Bootloader都分为stage1和stage2两个部分。

Bootloader的stage1通常包括以下步骤（按执行的先后顺序）：

1.硬件设备初始化。

屏蔽所有中断、设置CPU的速度和时钟频率、RAM初始化、初始化LED、关闭CPU内部指令/数据cache。

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（设置堆栈指针sp）。

5.跳转到stage2的C入口点。

Bootloader的stage2通常包括以下步骤（按执行的先后顺序）：

1.初始化本阶段要使用的硬件设备。

2.检测系统内存映像（memory map）。

包括内存映射的描述和内存映射的检测。

3.将kernel映像和根文件系统映像从Flash上读到RAM空间中。

包括规划内存占用的布局（内核映像和根文件系统的内存范围）和从Flash上拷贝。

4.为内核设置启动参数。

5.调用内核。

三、BootLoader的操作模式

大多数 Boot Loader 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，Boot Loader 的作用就是用来加载操作系统，而并不存在所谓的启动加载模式与下载工作模式的区别。

启动加载（Boot loading）模式：这种模式也称为"自主"（Autonomous）模式。也即 Boot Loader 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，因此在嵌入式产品发布的时侯，Boot Loader 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 Boot Loader 将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机（Host）下载文件，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 Boot Loader 保存到目标机的 RAM 中，然后再被 Boot Loader 写到目标机上的FLASH 类固态存储设备中。Boot Loader 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 Boot Loader 的这种工作模式。工作于这种模式下的 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。 像 Blob 或 U-Boot 等这样功能强大的 Boot Loader 通常同时支持这两种工作模式，而且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。

四、关于串行终端

在 boot loader 程序的设计与实现中，没有什么能够比从串口终端正确地收到打印信息能更令人激动了。此外，向串口终端打印信息也是一个非常重要而又有效的调试手段。但是，我们经常会碰到串口终端显示乱码或根本没有显示的问题。造成这个问题主要有两种原因：

(1) boot loader 对串口的初始化设置不正确。

(2) 运行在 host 端的终端仿真程序对串口的设置不正确，这包括：波特率、奇偶校验、数据位和停止位等方面的设置。

此外，有时也会碰到这样的问题，那就是：在 boot loader 的运行过程中我们可以正确地向串口终端输出信息，但当 boot loader 启动内核后却无法看到内核的启动输出信息。对这一问题的原因可以从以下几个方面来考虑：

(1) 首先请确认你的内核在编译时配置了对串口终端的支持，并配置了正确的串口驱动程序。

(2) 你的 boot loader 对串口的初始化设置可能会和内核对串口的初始化设置不一致。此外，对于有些CPU，CPU 时钟频率的设置也会影响串口，因此如果 boot loader 和内核对其 CPU 时钟频率的设置不一致，也会使串口终端无法正确显示信息。

(3) 最后，还要确认 boot loader 所用的内核基地址必须和内核映像在编译时所用的运行基地址一致，尤其是对于 uClinux 而言。假设你的内核映像在编译时用的基地址是 0xc0008000，但你的 boot loader 却将它加载到 0xc0010000 处去执行，那么内核映像当然不能正确地执行了。