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第九章 BootLoader

第九章 BootLoader. ◆ 理解Bootloader的概念与作用 ◆ 熟悉ViVi的配置与编译 ◆ 了解ViVi代码的主要结构与作用 ◆ 熟悉uboot移植与使用方法以及启动过程与工作原理。. 9.1 Bootloader 基础. 9.1.1 Bootloader 的简介 　　系统上电之后，需要一段程序来进行初始化：关闭 WATCHDOG 、改变系统时钟、初始化存储控制器、将更多的代码复制到内存中等等。如果它能将操作系统内核 ( 从本地 Flash 或通过网络 ) 复制到内存中运行，就称这段程序为 Bootloader 。.

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第九章 BootLoader

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  1. 第九章 BootLoader

  2. ◆理解Bootloader的概念与作用 ◆ 熟悉ViVi的配置与编译 ◆ 了解ViVi代码的主要结构与作用 ◆ 熟悉uboot移植与使用方法以及启动过程与工作原理。

  3. 9.1 Bootloader基础 9.1.1 Bootloader的简介　　系统上电之后，需要一段程序来进行初始化：关闭WATCHDOG、改变系统时钟、初始化存储控制器、将更多的代码复制到内存中等等。如果它能将操作系统内核(从本地Flash或通过网络)复制到内存中运行，就称这段程序为Bootloader。

  4. 简单地说，Bootloader就是这么一小段程序，它在系统上电时开始执行，初始化硬件设备、准备好软件环境，最后调用操作系统内核。

  5. 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。

  6. Bootloader的实现严重依赖于具体硬件，在嵌入式系统中硬件配置千差万别，即使是相同的CPU，它的外设(比如Flash)也可能不同，所以需要进行一些移植。

  7. 大多数Bootloader包含两种不同的操作模式： （1）启动加载(Bootloading)模式 这种模式也称为自主(Autonomous)模式，也即Bootloader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Bootloader的正常工作模式，因此在嵌入式产品发布的时侯，Bootloader工作在这种模式下。

  8. （2）下载(Downloading)模式 在这种模式下，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(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Bootloader保存到目标机的RAM中，然后再被Bootloader写到目标机上的Flash类固态存储设备中。

  9. 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。工作于这种模式下的Bootloader通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。

  10. 板子与主机间传输文件时，可以使用： ◆串口的xmodem/ymodem/zmodem协议，它们使用简单，只是速度比较慢； ◆使用网络通过tftp、nfs协议来传输，这时，主机上要开启tftp、nfs服务；还有其他方法，比如USB等。

  11. 像vivi或U-Boot等这样功能强大的Bootloader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。像vivi或U-Boot等这样功能强大的Bootloader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，U-Boot在启动时处于正常的启动加载模式，但是它会延时若干秒(这可以设置)等待终端用户按下任意键而将U-Boot切换到下载模式。如果在指定时间内没有用户按键，则U-Boot继续启动Linux内核。

  12. 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。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。网络启动方式对于嵌入式系统开发来说非常重要。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。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。网络启动方式对于嵌入式系统开发来说非常重要。

  13. 使用这种方式，目标板要有串口、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10 M以太网接口。

  14. 　 对于开发的嵌入式系统，可以把USB接口虚拟成以太网接口通信。这种方式在开发主机和开发板两端都需要驱动程序。 另外，可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。

  15. DHCP/BOOTP服务为Bootloader分配IP地址并配置网络参数后，才能够支持网络传输功能。如果Bootloader可以直接设置网络参数，则可不使用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9.1.1所示。DHCP/BOOTP服务为Bootloader分配IP地址并配置网络参数后，才能够支持网络传输功能。如果Bootloader可以直接设置网络参数，则可不使用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9.1.1所示。 大部分引导程序都能够支持网络启动方式。例如：vivi与U-Boot也支持网络启动功能。

  16. 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。 进入BIOS设置菜单，可以探测处理器、内存、硬盘等设备，也可以设置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。

  17. 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。

  18. NOR Flash可以支持随机访问，所以代码可以直接在Flash上执行。 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。 下图所示，是Flash存储示意图。

  19. Bootloader一般存贮在Flash的底端或者顶端，这要根据处理器的复位向量来设置。 要使Bootloader的入口位于处理器上电执行第一条指令的位置。 接着需要分配参数区，可以作为Bootloader的参数保存区域。然后是内核映像区。

  20. Bootloader引导Linux内核，就是要从此处把内核映像解压到RAM中去，然后跳转到内核映像入口执行。Bootloader引导Linux内核，就是要从此处把内核映像解压到RAM中去，然后跳转到内核映像入口执行。 最后是文件系统区。 如果使用RAMdisk文件系统，则需要Bootloader解压文件系统到RAM中。 如果使用JFFS2文件系统，将直接挂接为根文件系统。 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。

  21. 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。 在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。

  22. 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。 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将整个引导程序复制到RAM中运行，从而实现自举启动，与磁盘启动相似。

  23. 9.1.2 Bootloader的种类　　现在Bootloader种类繁多，比如x86上有LILO、GRUB等。 对于ARM架构的CPU，有U-Boot、Vivi等。它们各有特点，下面列出Linux的开放源代码的Bootloader及其支持的体系架构，如下表所示。

  24. 9.1.3 Bootloader的基本原理Bootloader是依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式领域。因此，在嵌入式领域里建立通用的Bootloader几乎是不可能的。尽管如此，仍然可以对Bootloader归纳出通用的概念，以指导用户对特定的Bootloader设计与实现。1．操作模式　　大多数Bootloader都包含启动加载模式和下载模式两种不同的操作模式。

  25. 2．通信设备及协议　　目标机上的Bootloader一般可通过串口与主机之间进行文件传输，传输协议通常是 xmodem/ymodem/zmodem协议中的一种。但是，串口传输的速度是有限的，因此通过以太网连接并借助TFTP协议来下载文件是个更好的选择。 　　此外，在通过以太网连接和 TFTP 协议来下载文件时，主机方必须有一个软件用来提供TFTP服务。

  26. 3．Bootloader 的功能与结构 由于Bootloader的实现依赖于CPU的体系结构，大多数Bootloader都分为stage1和 stage2两大部分。 依赖于CPU体系结构的代码，比如设备初始化代码等，通常都放在stage1 中，而且通常都通过汇编语言来实现，以达到短小精悍的目的； stage2则通常用C语言来实现，这样可以实现更复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。

  27. 1）stage1 Bootloader的stage1通常包括以下工作： 　　（1） 硬件设备初始化。 　　（2） 为加载Bootloader的stage2准备RAM空间。 　　（3） 拷贝Bootloader的stage2到RAM空间中。 　　（4） 设置堆栈。　　（5） 跳转到stage2的C入口点。

  28. 2）stage2 stage2的代码通常用C语言来实现，以便于实现更复杂的功能以及取得更好的代码可读性和可移植性。但是与普通C语言应用程序不同的是，在编译和链接Bootloader程序时，不能使用glibc库中的任何支持函数。其原因是显而易见的。

  29. 从哪里跳转进main()函数呢？直接把main()函数的起始地址作为整个stage2 执行映像的入口点或许是最直接的想法，但是这样做有两个缺点： ① 无法通过main()函数传递函数参数； ② 无法处理main()函数的返回。 一种更为巧妙的方法是利用trampoline(弹簧床)的概念。

  30. 用汇编语言写一段trampoline小程序，并将这段trampoline小程序来作为stage2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； 当main()函数返回时，CPU执行路径显然再次回到trampoline 程序。 简而言之，这种方法的思想就是：用这段trampoline小程序来作为main()函数的外部包裹(External Wrapper)。　　

  31. Bootloader的stage2可执行映像刚被拷贝到RAM空间时的系统内存布局如图9.1.4所示。

  32. 9.2 ViVi Vivi是Mizi公司针对SAMSUNG的ARM架构CPU专门设计的，基本上可以直接使用，命令简单方便。不过其初始版本只支持串口下载，速度较慢。在网上出现了各种改进版本：支持网络功能、USB功能、烧写YAFFS文件系统映像等。

  33. 9.2.1 ViVi命令 ViVi有两种工作模式： 启动加载模式和下载模式 启动加载模式可以在一段时间后(时间可更改)自行启动Linux内核，这是ViVi的默认模式。 在下载模式下，ViVi为用户提供一个命令行接口，通过接口可以使用ViVi提供的一些命令。

  34. 下面将介绍这些命令的意义。 1)  reset命令：复位Arm9系统。2)  help命令：显示开发板上ViVi支持的所有命令。param help：显示param命令的用法。 3)  part命令：用于对分区进行操作。通过part help，可以显示系统对part系列命令的帮助提示。可以显示系统对part系列命令的帮助提示，分别如表9.2.1所示。

  35. 4)  load命令。下载程序到存储器(Flash或者RAM中)。通过load help，显示系统对load系列命令的帮助提示。load flash partname x：使用xmodom 协议通过串口下载文件并且烧写到partname分区。

  36. 例如： 　　－load flash vivi x //注意，这里的vivi是分区名　　－load flash kernel x 　　－load flash root x load ram partname or addr x：使用xmodom协议通过串口下载文件到内存中。

  37. 5)  param命令：用于对Bootloader参数进行操作。通过　param help，显示系统对param系列命令的帮助提示。param show：显示Bootloader的当前参数值。param reset：将Bootloader参数值复位成系统默认值。

  38. param set paramname value：设置参数值。param set linux_cmd_line “linux bootparam”：设置Linux启动参数，参数linux bootparam表示要设置的Linux Kernel命令行参数。param save：保存参数设置。

  39. 6)  boot命令：用于引导Linux kernel启动。通过boot help，显示系统对boot命令的帮助提示。 boot：以默认方式启动。boot ram ramaddr lenth：启动SDRAM中ramaddr处长度为lenth的Linux内核。

  40. 7)  bon命令：用于对bon分区进行操作。通过bon help，显示系统对bon系列命令的帮助提示。bon分区是NAND Flash设备的一种简单的分区管理方式。 bon part info：显示系统中bon分区的信息。

  41. bon part：建立系统的bon分区表。bon分区表被保存到NAND Flash的最后0x4000个字节中，即在NAND Flash的0x03FFC000～0x33FFFFFF范围内，分区表起始于0x03FFC000。

  42. 例如：下列代码分为三个区：0～192 KB、192 KB～1 MB、1 MB以上。vivi> bon part 0 192k 1M doing partition size = 0 size = 196608 size = 1048576check bad blockpart = 0 end = 196608

  43. 9.2.2 ViVi的配置与编译ViVi的配置与编译过程如下：1. 在宿主机上安装交叉编译器 　　首先以root 用户的身份登录到Linux下，进入/usr/local目录，创建名为arm的目录： cd /usr/local mkdir arm

  44. 将cross-2.95.3.tar.bz2文件解压到/usr/local/arm目录： tar jxvf cross-2.95.3.tar.bz2 –C /usr/local/arm 然后修改PATH变量：为了可以方便使用 arm-linux-gcc 编译器系统, 把arm-linux 工具链目录加入到环境变量PATH 中；

  45. 修改/etc/profile文件,添加pathmunge /usr/local/arm/2.95.3/bin，如下所示： # Path manipulation if [ `id -u` = 0 ]; then pathmunge /sbin pathmunge /usr/sbin pathmunge /usr/local/sbin pathmunge /usr/local/arm/2.95.3/bin fi pathmunge /usr/X11R6/bin after

  46. 保存上述修改，进入终端控制台输入： source /etc/profile //使刚才的环境变量生效 注意：设置环境变量后，重启或注销，设置的环境变量才能生效。 最后检测环境变量是否安装成功，在终端控制台输入： arm-linux-gcc -v

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