启动代码和Bootloader

 

最近查了很多关于基于ARM嵌入式系统上电复位后启动过程的资料。搞得晕晕乎乎，不知如何理解。现在终于有一点头绪，总结如下：

我主要遇到了这样一个问题，启动代码和Bootloader的区别以及它们在ARM上运行操作系统和不运行操作系统（只有用户程序）的关系。

启动代码和Bootloader的关系类似于“男人”和“人类”的关系。可以说男人是人类的一种，但不能说人类只有男人。也就是说可以说启动代码是Bootloader，但不能说Bootloader是启动代码。当然这也不是绝对的，只在某些情况下可以这么说。

启动代码是指CPU复位后到main函数之前需要执行的汇编代码。需要这段代码是为了给C语言程序准备好堆栈空间，中断入口和外部数据等。而且这段汇编代码可以直接对硬件进行操作，效率很高。

Bootloader就是在操作系统内核运行之前的一小段程序，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，以便为调用操作系统内核、运行用户应用程序准备好正确的环境。嵌入式系统建立一个通用、标准的Bootloader是非常困难的。Bootloader也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置，这也就是说，对于两块不同的嵌入式主板而言，即使它们是基于同一 CPU 而构建，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，通常都需要修改 Bootloader 的源程序。

启动流程：系统加电复位后，几乎所有的 CPU都从由复位地址上取指令。以微处理器为核心的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备（比如EEPROM、FLASH等）被映射到这个预先设置好的地址上。通过集成开发环境可以将Bootloader定位在复位地址开始的存储空间内，因此Bootloader是系统加电后、操作系统内核或用户应用程序运行之前，首先必须运行的一段程序代码。系统的启动通常有两种方式，一种是可以直接从Flash启动，另一种是可以将压缩的内存映像文件从Flash（为节省Flash资源、提高速度）中复制、解压到RAM，再从RAM启动。当电源打开时，一般的系统会去执行ROM（应用较多的是Flash）里面的启动代码。系统启动代码完成基本软硬件环境初始化后，对于有操作系统的情况下，启动操作系统、启动内存管理、任务调度、加载驱动程序等，最后执行应用程序或等待用户命令；对于没有操作系统的系统直接执行应用程序或等待用户命令。

启动代码内容流程：

1. 启动代码的第一步是设置中断和异常向量。
2. 完成系统启动所必须的最小配置，某些处理器芯片包含一个或几个全局寄存器，这些寄存器必须在系统启动的最初进行配置。
3. 设置看门狗，用户设计的部分外围电路如果必须在系统启动时初始化，就可以放在这一步。
4. 配置系统所使用的存储器，包括Flash，SRAM和DRAM等，并为他们分配地址空间。如果系统使用了DRAM或其它外设，就需要设置相关的寄存器，以确定其刷新频率，数据总线宽度等信息，初始化存储器系统。有些芯片可通过寄存器编程初始化存储器系统，而对于较复杂系统通常集成有MMU来管理内存空间。
5. 为处理器的每个工作模式设置栈指针，ARM处理器有多种工作模式，每种工作模式都需要设置单独的栈空间。
6. 变量初始化，这里的变量指的是在软件中定义的已经赋好初值的全局变量，启动过程中需要将这部分变量从只读区域，也就是Flash拷贝到读写区域中，因为这部分变量的值在软件运行时有可能重新赋值。还有一种变量不需要处理，就是已经赋好初值的静态全局变量，这部分变量在软件运行过程中不会改变，因此可以直接固化在只读的Flash或EEPROM中。
7. 数据区准备，对于软件中所有未赋初值的全局变量，启动过程中需要将这部分变量所在区域全部清零。
8. 最后一步是调用高级语言入口函数，比如main函数等。