嵌入式系统的BootLoader技术浅析_启动过程

论文导读:：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机为基础、软硬件可裁剪。即启动过程可分为阶段1和阶段2两个部分。技术概述。
论文关键词：嵌入式系统，启动过程，BootLoader技术

　　一 BootLoader技术概述
　　嵌入式系统是以应用为中心、以计算机为基础、软硬件可裁剪，适用于系统对功能、可靠性、成本、功耗严格要求的专用计算机系统。计算机系统都具有相应的引导程序，对于嵌入式系统在执行主程序之前要执行一些初始化的过程来完成对系统的初始化，并创造嵌入式程序运行的环境。我们熟悉的PC中的引导程序一般BIOS和位于MBR的 OS bootloader（例如 LILO 或者 GRUB）一起组成。
　　在嵌入式系统中，出于经济方面的考虑一般不配置 BIOS，在嵌入式系统中，通常采用BootLoader技术来启动程序。启动时用于完成初始化操作的代码被称为BootLoader 程序，整个系统的加载启动任务就由 BootLoader来完成。通过这段程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图启动过程，从而将系统的软硬件环境设定在一个合适的状态，以便为调用操作系统内核准备好正确的环境。BootLoader依赖于硬件和应用环境，不同的CPU有不同的 Bootloader。即使他们是基于同一种 CPU，要想让运行在一块目标板上的Bootloader程序也能运行在另一块板子上，通常也需要对BootLoader的源程序进行修改。因此，对 Bootloader 进行分析，并找出其中的规律和原理，使得BootLoader 运行于各种不同的硬件平台。
　　二 BootLoader 技术的基本特征
　　1 BootLoader 安装地址的固定性
　　系统加电或复位后，CPU 通常都从由CPU 制造商预先安排好的地址上取指令, 如XScale 内核的CPU 通常都从地址0x00000000处取它的第一条指令。基于这种CPU 构建的嵌入式系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。所以系统加电后，CPU 将首先执行BootLoader 的程序。
　　 图 1 是一个同时装有BootLoader、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图。
　　图1 固态存储设备的典型空间分配结构图
　　2 BootLoader 的多阶段性
　　通常多阶段的BootLoader 能提供复杂的功能以及较好的可移植性。在有操作系统的情况下， 从固态存储设备上启动的BootLoader 一般都是分成两个阶段进行启动，即启动过程可分为阶段1和阶段2两个部分。阶段1一般用汇编语言编写，而阶段2用高级语言C编写。
　　（3） BootLoader的多操作模式性
　　大多数的BootLoader都包含两种不同的操作方式，即启动加载模式和下载模式论文开题报告范文。启动模式也称为“自主”模式，即BootLoader从目标机的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中运行，整个过程不需要用户的介入。下载模式就是目标机上的BootLoader将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机上下载文件。从主机上下载的文件通常首先被BootLoader保存到目标机的RAM中，然后再被BootLoader写到目标机的Flash类固态存储设备中。BootLoader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BootLoader的这种工作模式。功能强大的BootLoader一般可以支持这两种操作模式。
　　三 BootLoader的初始化过程
　　BootLoader 的初始化不但过程与具体的目标系统和开发系统有关启动过程，而且还与有无操作系统有关系，通常可分为两大类：带操作系统的和不带操作系统BootLoader 。
　　1 不带操作系统的 BootLoader加载
　　此类BootLoader的加载和功能相对简单，是最简单的BootLoader，叫硬件启动加载程序更合适一些。其加载流程和完成的主要功能包括：分配中断向量表；初始化存储器系统；初始化堆栈；初始化有特殊要求的端口、设备；初始化应用程序执行环境；改变处理器模式；呼叫主应用程序，即最后跳到main[]函数执行应用程序，具体流程如图2所示。
　　
　　2 带操作系统的 BootLoader加载
　　 为了便于描述说明，首先做一个假定：假定内核映像与根文件系统映像被加载到RAM中运行，因为内核映像与根文件系统映像也可以直接在ROM或闪存这样的固态存储设备中运行。
　　从操作系统的角度看，BootLoader的总目标就是正确调用内核来执行。BootLoader的实现依赖于CPU的体系结构，大多数BootLoader都分为阶段1和阶段2两个部分。依赖于CPU体系结构的代码，比如初始化设备等，通常都放在阶段1中，并且用汇编语言来实现，以达到短小精悍的目的。而在阶段2，则通常用C语言来实现，这样可以实现一些复杂的功能，而且使代码具有更好的可读性和可移植性。图3详细描述了阶段1和阶段2的具体实现步骤。
　　
　　（1）BootLoader阶段1详细分析
　　 ①基本的硬件初始化。这是BootLoader最开始就执行的操作，其目的是为阶段2的执行以及随后的内核执行准备好一些基本的硬件环境，通常包含以下步骤：屏蔽所有的中断；设置CPU的速度和时钟频率；RAM初始化启动过程，包括正确设置系统的内存控制器的功能寄存器以及各内存库控制寄存器等；初始化LED；关闭CPU内部指令/数据Cache。
　　②为加载阶段2准备RAM空间。为了获得更快的执行速度，通常把阶段2加载到RAM空间中执行，因此必须为加载BootLoader的阶段2准备好一段可用的RAM空间范围。由于阶段2通常是C语言执行代码，因此在考虑空间大小时，除了考虑阶段2可执行的映像大小外，还必须将堆栈空间也考虑进来。此外，空间大小最好是内存页大小的倍数。一般而言，1MB的RAM空间就足够了。
　　③将阶段2的内核映像和根文件映像复制到RAM中。
　　④设置堆栈指针SP。这是为了执行C语言代码而做的准备。
　　⑤跳转到阶段２的C入口点。
　　（2）BootLoader阶段２详细分析
　　阶段２是用C语言来实现，但是与普通C语言应用程序不同的是，在编译和连接BootLoader的程序时，不能使用glibc库中的任何支持函数，这就带来了一个问题：跳转至main（）的地址如何确定。一个巧妙的办法是利用trampoline的概念，即用汇编写一段trampoline小程序，并将其作为阶段2可执行映像的执行入口点。然后在trampoline汇编小程序中用CPU跳转指令跳入main（）函数中去执行；而当main（）返回时，CPU执行路径显然再次回到trampoline程序。简言之：用trampoline小程序作为main（）函数的外部包裹。阶段2初始化的具体步骤如下：
　　①所需硬件初始化。一般指初始化本阶段要使用的硬件设备，包括：至少一个串口，以便和终端用户进行I/O输出信息；计时器等。
　　②检测系统的内存映射。所谓的存储映射就是指在整个物理地址空间中被分配用来寻址系统的RAM单元。虽然CPU通常预留出一大段足够的地址空间给系统RAM，但是在搭建具体的嵌入式系统时，却不一定实现CPU预留的全部RAM地址空间论文开题报告范文。所以启动过程，BootLoader的阶段2必须在它工作之前检查整个内存映射情况。
　　③加载内核映像和根文件系统映像。首先要规划内存占用的布局。一般包括两个方面：内核映像所占用的内存范围以及根文件系统所占用的内存范围。在规划内存占用的布局时，主要考虑基地址和映像大小的2个方面。其次要从闪存上复制。由于像ARM这样的嵌入式CPU通常都是在统一的内存地址空间中寻址Flash等固态存储设备，因此从闪存上读取数据与从RAM单元中读取数据没有什么不同，用一个简单的循环就可以完成闪存设备上的复制映像工作。
　　④ 设置内核的启动参数。一般来说，在将内核映像和根文件系统映像复制到RAM空间后，就可以启动内核了。但是在调用内核之前，先用设置内核的启动参数。
　　⑤ 调用内核。BootLoader调用内核的方法是直接跳转到内核的第一条指令处。在跳转前，必须满足下列条件：
　　●CPU寄存器的设置正确。
　　●CPU模式：必须禁止终端；CPU必须用SVC模式。
　　●Cache和MMU的设置：MMU必须关闭；指令Cache可以打开也可以关闭；数据Cache必须关闭。
　　四 总结
　　BootLoader是操作系统和硬件的枢纽，它为操作系统内核的启动提供了必要的条件和参数。启动过程中BootLoader的初始化过程就是初始化CPU内部关键的寄存器、配置外围硬件电路相关寄存器、建立中断向量表等，然后跳转到一般由高级语言编写的主函数的应用程序代码去执行，这样就可以利用高级语言来编写完成系统设计所要求的各种功能。

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