u-boot 之初步了解 （1）

 

Bootloader 
对于计算机系统来说，从开机上电到操作系统启动需要一个引导过程。嵌入式Linux系统同样离不开引导程序，这个引导程序就叫作Bootloader。
6.1.1 Bootloader介绍
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。
反过来，大部分Bootloader仍然具有很多共性，某些Bootloader也能够支持多种体系结构的嵌入式系统。例如，U-Boot就同时支持PowerPC、ARM、MIPS和X86等体系结构，支持的板子有上百种。通常，它们都能够自动从存储介质上启动，都能够引导操作系统启动，并且大部分都可以支持串口和以太网接口。
本章将对各种Bootloader总结分类，分析它们的共同特点。以U-Boot为例，详细讨论Bootloader的设计与实现。
6.1.2 Bootloader的启动
Linux系统是通过Bootloader引导启动的。一上电，就要执行Bootloader来初始化系统。可以通过第4章的Linux启动过程框图回顾一下。
系统加电或复位后，所有CPU都会从某个地址开始执行，这是由处理器设计决定的。比如，X86的复位向量在高地址端，ARM处理器在复位时从地址0x00000000取第一条指令。嵌入式系统的开发板都要把板上ROM或Flash映射到这个地址。因此，必须把Bootloader程序存储在相应的Flash位置。系统加电后，CPU将首先执行它。
主机和目标机之间一般有串口可以连接，Bootloader软件通常会通过串口来输入输出。例如：输出出错或者执行结果信息到串口终端，从串口终端读取用户控制命令等。
Bootloader启动过程通常是多阶段的，这样既能提供复杂的功能，又有很好的可移植性。例如：从Flash启动的Bootloader多数是两阶段的启动过程。从后面U-Boot的内容可以详细分析这个特性。
大多数Bootloader都包含2种不同的操作模式：本地加载模式和远程下载模式。这2种操作模式的区别仅对于开发人员才有意义，也就是不同启动方式的使用。从最终用户的角度看，Bootloader的作用就是用来加载操作系统，而并不存在所谓的本地加载模式与远程下载模式的区别。
因为Bootloader的主要功能是引导操作系统启动，所以我们详细讨论一下各种启动方式的特点。
1．网络启动方式
这种方式开发板不需要配置较大的存储介质，跟无盘工作站有点类似。但是使用这种启动方式之前，需要把Bootloader安装到板上的EPROM或者Flash中。Bootloader通过以太网接口远程下载Linux内核映像或者文件系统。第4章介绍的交叉开发环境就是以网络启动方式建立的。这种方式对于嵌入式系统开发来说非常重要。
使用这种方式也有前提条件，就是目标板有串口、以太网接口或者其他连接方式。串口一般可以作为控制台，同时可以用来下载内核影像和RAMDISK文件系统。串口通信传输速率过低，不适合用来挂接NFS文件系统。所以以太网接口成为通用的互连设备，一般的开发板都可以配置10M以太网接口。
对于PDA等手持设备来说，以太网的RJ-45接口显得大了些，而USB接口，特别是USB的迷你接口，尺寸非常小。对于开发的嵌入式系统，可以把USB接口虚拟成以太网接口来通讯。这种方式在开发主机和开发板两端都需要驱动程序。
另外，还要在服务器上配置启动相关网络服务。Bootloader下载文件一般都使用TFTP网络协议，还可以通过DHCP的方式动态配置IP地址。
DHCP/BOOTP服务为Bootloader分配IP地址，配置网络参数，然后才能够支持网络传输功能。如果Bootloader可以直接设置网络参数，就可以不使用DHCP。
TFTP服务为Bootloader客户端提供文件下载功能，把内核映像和其他文件放在/tftpboot目录下。这样Bootloader可以通过简单的TFTP协议远程下载内核映像到内存。如图6.1所示。
0 _fcksavedurl=">
图6.1 网络启动示意图
大部分引导程序都能够支持网络启动方式。例如：BIOS的PXE（Preboot Execution Environment）功能就是网络启动方式；U-Boot也支持网络启动功能。
2．磁盘启动方式
传统的Linux系统运行在台式机或者服务器上，这些计算机一般都使用BIOS引导，并且使用磁盘作为存储介质。如果进入BIOS设置菜单，可以探测处理器、内存、硬盘等设备，可以设置BIOS从软盘、光盘或者某块硬盘启动。也就是说，BIOS并不直接引导操作系统。那么在硬盘的主引导区，还需要一个Bootloader。这个Bootloader可以从磁盘文件系统中把操作系统引导起来。
Linux传统上是通过LILO（LInux LOader）引导的，后来又出现了GNU的软件GRUB（GRand Unified Bootloader）。这2种Bootloader广泛应用在X86的Linux系统上。你的开发主机可能就使用了其中一种，熟悉它们有助于配置多种系统引导功能。
LILO软件工程是由Werner Almesberger创建，专门为引导Linux开发的。现在LILO的维护者是John Coffman，最新版本下载站点：http://lilo.go.dyndns.org。LILO有详细的文档，例如LILO套件中附带使用手册和参考手册。此外，还可以在LDP的“LILO mini-HOWTO”中找到LILO的使用指南。
GRUB是GNU计划的主要bootloader。GRUB最初是由Erich Boleyn为GNU Mach操作系统撰写的引导程序。后来有Gordon Matzigkeit和Okuji Yoshinori接替Erich的工作，继续维护和开发GRUB。GRUB的网站http://www.gnu.org/software/grub/上有对套件使用的说明文件，叫作《GRUB manual》。GRUB能够使用TFTP和BOOTP或者DHCP通过网络启动，这种功能对于系统开发过程很有用。
除了传统的Linux系统上的引导程序以外，还有其他一些引导程序，也可以支持磁盘引导启动。例如：LoadLin可以从DOS下启动Linux；还有ROLO、LinuxBIOS，U-Boot也支持这种功能。
3．Flash启动方式
大多数嵌入式系统上都使用Flash存储介质。Flash有很多类型，包括NOR Flash、NAND Flash和其他半导体盘。其中，NOR Flash（也就是线性Flash）使用最为普遍。
NOR Flash可以支持随机访问，所以代码是可以直接在Flash上执行的。Bootloader一般是存储在Flash芯片上的。另外，Linux内核映像和RAMDISK也可以存储在Flash上。通常需要把Flash分区使用，每个区的大小应该是Flash擦除块大小的整数倍。

Bootloader一般放在Flash的底端或者顶端，这要根据处理器的复位向量设置。要使Bootloader的入口位于处理器上电执行第一条指令的位置。
接下来分配参数区，这里可以作为Bootloader的参数保存区域。
再下来内核映像区。Bootloader引导Linux内核，就是要从这个地方把内核映像解压到RAM中去，然后跳转到内核映像入口执行。
然后是文件系统区。如果使用Ramdisk文件系统，则需要Bootloader把它解压到RAM中。如果使用JFFS2文件系统，将直接挂接为根文件系统。这两种文件系统将在第12章详细讲解。
最后还可以分出一些数据区，这要根据实际需要和Flash大小来考虑了。
这些分区是开发者定义的，Bootloader一般直接读写对应的偏移地址。到了Linux内核空间，可以配置成MTD设备来访问Flash分区。但是，有的Bootloader也支持分区的功能，例如：Redboot可以创建Flash分区表，并且内核MTD驱动可以解析出redboot的分区表。
除了NOR Flash，还有NAND Flash、Compact Flash、DiskOnChip等。这些Flash具有芯片价格低，存储容量大的特点。但是这些芯片一般通过专用控制器的I/O方式来访问，不能随机访问，因此引导方式跟NOR Flash也不同。在这些芯片上，需要配置专用的引导程序。通常，这种引导程序起始的一段代码就把整个引导程序复制到RAM中运行，从而实现自举启动，这跟从磁盘上启动有些相似。
6.1.3 Bootloader的种类
嵌入式系统世界已经有各种各样的Bootloader，种类划分也有多种方式。除了按照处理器体系结构不同划分以外，还有功能复杂程度的不同。
首先区分一下“Bootloader”和“Monitor”的概念。严格来说，“Bootloader”只是引导设备并且执行主程序的固件；而“Monitor”还提供了更多的命令行接口，可以进行调试、读写内存、烧写Flash、配置环境变量等。“Monitor”在嵌入式系统开发过程中可以提供很好的调试功能，开发完成以后，就完全设置成了一个“Bootloader”。所以，习惯上大家把它们统称为Bootloader。
表6.1列出了Linux的开放源码引导程序及其支持的体系结构。表中给出了X86 ARM PowerPC体系结构的常用引导程序，并且注明了每一种引导程序是不是“Monitor”。


对于每种体系结构，都有一系列开放源码Bootloader可以选用。
（1）X86
X86的工作站和服务器上一般使用LILO和GRUB。LILO是Linux发行版主流的Bootloader。不过Redhat Linux发行版已经使用了GRUB，GRUB比LILO有更有好的显示界面，使用配置也更加灵活方便。
在某些X86嵌入式单板机或者特殊设备上，会采用其他Bootloader，例如：ROLO。这些Bootloader可以取代BIOS的功能，能够从FLASH中直接引导Linux启动。现在ROLO支持的开发板已经并入U-Boot，所以U-Boot也可以支持X86平台。
（2）ARM
ARM处理器的芯片商很多，所以每种芯片的开发板都有自己的Bootloader。结果ARM bootloader也变得多种多样。最早有为ARM720处理器的开发板的固件，又有了armboot，StrongARM平台的blob，还有S3C2410处理器开发板上的vivi等。现在armboot已经并入了U-Boot，所以U-Boot也支持ARM/XSCALE平台。U-Boot已经成为ARM平台事实上的标准Bootloader。
（3）PowerPC
PowerPC平台的处理器有标准的Bootloader，就是ppcboot。PPCBOOT在合并armboot等之后，创建了U-Boot，成为各种体系结构开发板的通用引导程序。U-Boot仍然是PowerPC平台的主要Bootloader。
（4）MIPS
MIPS公司开发的YAMON是标准的Bootloader，也有许多MIPS芯片商为自己的开发板写了Bootloader。现在，U-Boot也已经支持MIPS平台。
（5）SH
SH平台的标准Bootloader是sh-boot。Redboot在这种平台上也很好用。
（6）M68K
M68K平台没有标准的Bootloader。Redboot能够支持m68k系列的系统。
值得说明的是Redboot，它几乎能够支持所有的体系结构，包括MIPS、SH、M68K等体系结构。Redboot是以eCos为基础，采用GPL许可的开源软件工程。现在由core eCos的开发人员维护，源码下载网站是http://www.ecoscentric.com/snapshots。Redboot的文档也相当完善，有详细的使用手册《RedBoot User’s Guide》。
U-Boot工程简介
最早，DENX软件工程中心的Wolfgang Denk基于8xxrom的源码创建了PPCBOOT工程，并且不断添加处理器的支持。后来，Sysgo Gmbh把ppcboot移植到ARM平台上，创建了ARMboot工程。然后以ppcboot工程和armboot工程为基础，创建了U-Boot工程。
现在U-Boot已经能够支持PowerPC、ARM、X86、MIPS体系结构的上百种开发板，已经成为功能最多、灵活性最强并且开发最积极的开放源码Bootloader。目前仍然由DENX的Wolfgang Denk维护。
U-Boot的源码包可以从sourceforge网站下载，还可以订阅该网站活跃的U-Boot Users邮件论坛，这个邮件论坛对于U-Boot的开发和使用都很有帮助。
U-Boot软件包下载网站：http://sourceforge.net/project/u-boot。
U-Boot邮件列表网站：http://lists.sourceforge.net/lists/listinfo/u-boot-users/。
DENX相关的网站：http://www.denx.de/re/DPLG.html。

U-Boot源码结构
从网站上下载得到U-Boot源码包，例如：U-Boot-1.1.2.tar.bz2
解压就可以得到全部U-Boot源程序。在顶层目录下有18个子目录，分别存放和管理不同的源程序。这些目录中所要存放的文件有其规则，可以分为3类。
· 第1类目录与处理器体系结构或者开发板硬件直接相关；
· 第2类目录是一些通用的函数或者驱动程序；
· 第3类目录是U-Boot的应用程序、工具或者文档。

 

一、bootloader的主要任务与典型结构框架

 Boot Loader 的 stage1 通常包括以下步骤(以执行的先后顺序)：

• 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。 

Boot Loader 的 stage2 通常包括以下步骤(以执行的先后顺序)：

• 初始化本阶段要使用到的硬件设备。 
• 检测系统内存映射(memory map)。 
• 将 kernel 映像和根文件系统映像从 flash 上读到 RAM 空间中。 
• 为内核设置启动参数。 
• 调用内核。

二、stage1

(1)基本的硬件初始化

这是 Boot Loader 一开始就执行的操作，其目的是为 stage2 的执行以及随后的 kernel 的执行准备好一些基本的硬件环境。它通常包括以下步骤（以执行的先后顺序）：

1． 屏蔽所有的中断。为中断提供服务通常是 OS 设备驱动程序的责任，因此在 Boot Loader 的执行全过程中可以不必响应任何中断。中断屏蔽可以通过写 CPU 的中断屏蔽寄存器或状态寄存器（比如 ARM 的 CPSR 寄存器）来完成。

2． 设置 CPU 的速度和时钟频率。

3． RAM 初始化。包括正确地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。

4． 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。如果板子上没有 LED，那么也可以通过初始化 UART 向串口打印 Boot Loader 的 Logo 字符信息来完成这一点。

5． 关闭 CPU 内部指令／数据 cache。

 

(2)为加载 stage2 准备 RAM 空间

为了获得更快的执行速度，通常把 stage2 加载到 RAM 空间中来执行，因此必须为加载 Boot Loader 的 stage2 准备好一段可用的 RAM 空间范围。

(3) 拷贝 stage2 到 RAM 中

拷贝时要确定两点：(1) 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；(2) RAM 空间的起始地址。

(4)设置堆栈指针 sp

堆栈指针的设置是为了执行 C 语言代码作好准备。通常我们可以把 sp 的值设置为(stage2_end-4)，也即在 3.1.2 节所安排的那个 1MB 的 RAM 空间的最顶端(堆栈向下生长)。

此外，在设置堆栈指针 sp 之前，也可以关闭 led 灯，以提示用户我们准备跳转到 stage2。

经过上述这些执行步骤后，系统的物理内存布局应该如下图2所示。

(5) 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。

 

三、stage2

1初始化本阶段要使用到的硬件设备

2 检测系统的内存映射（memory map）

3 加载内核映像和根文件系统映像

4 设置内核的启动参数

5 调用内核