嵌入式系统原理与应用 第3版 课件 第10章 Bootloader 设计基础

第10章Bootloader

设计基础

110.1Bootloader

概述

Bootloader，启动引导程序，又叫引导加载程序，功能强大的Bootloader也就直接叫做板级支持包（BSP,BoardSupportPacket）或者固件(Firmware)。近年来，为了方便嵌入式产品的推广，也有些直接将Bootloader叫做BIOS。BIOS是PC机的“基本输入输出系统”，烧录在电脑主板上一块专门的芯片中。一般BIOS由主板厂商或者专门的BIOS生产商提供，不是开源的，用户不能修改其中的代码进行定制。而嵌入式系统的开发则离不开Bootloader的开发，它也是整个系统开发中的难点之一。

210.1.1Bootloader

的作用

Bootloader是在嵌入式操作系统内核运行之前运行的一段小程序，也是系统开机后执行的第一段程序。通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间，从而将系统的软硬件环境设置成一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。Bootloader是依赖于底层硬件而实现的，因此建立一个通用的嵌入式系统Bootloader几乎是不可能的。在PC机中，主板的BIOS和位于硬盘0磁道上的主引导记录(MasterBootRecord,MBR)中的引导程序（如LILO或GRUB等）,两者一起的作用就相当于Bootloader在嵌入式系统中的作用，即实现整个系统的启动引导，并最终能引导操作系统的运行。310.1.1Bootloader

的作用（续1）在嵌入式系统中，Bootloader对嵌入式设备中的主要部件如CPU、SDRAM、FLASH、串口等进行了初始化，这样可以使用Bootloader通过串口下载各种文件到设备的SDRAM中或者烧录Flash，然后将操作系统内核读入到内存中来或者直接跳转到内核的入口点，从而实现操作系统的引导。现在有些Bootloader也把对以太网的支持等功能也加进去了，这样一个功能比较强大的Bootloader实际上就已经相当于一个微型的操作系统了。410.1.1Bootloader

的作用（续2）

Bootloader从第一条指令跳转后，就开始初始化各种最重要的硬件，比如CPU的工作频率、定时器、中断、看门狗、检测RAM大小和Flash等。一般，硬件初始化的这段程序是用汇编语言编写的，其后就用C语言编写。总体上Bootloader主要完成以下工作：

初始化CPU速度；初始化内存，包括启用内存库，初始化内存配置寄存器等；初始化中断控制器，在系统启动时，关闭中断，关闭看门狗；初始化串行端口（如果在目标上有的话）；启用指令/数据高速缓存；510.1.1Bootloader

的作用（续3）

设置堆栈指针；设置参数区域并构造参数结构和标记,即引导参数；执行POST（上电自检）来标识存在的设备并报告有何问题；为电源管理提供挂起/恢复支持；传输操作系统内核镜像文件到目标机。也可以将操作系统内核镜像文件事先存放在Flash中，这样就不需要Bootloader和主机传输操作系统内核镜像文件，这通常是在做成产品的情况下使用。而一般在开发过程中，为了调试内核的方便，不将操作系统内核镜像文件固化在Flash中，这就需要主机和目标机进行文件传输；跳转到内核的开始，在此又分为ROM启动和RAM启动。所谓ROM启动就是用XIP技术直接在Flash中执行操作系统镜像文件；所谓RAM启动就是指把内核镜像从Flash复制到RAM中，然后再将PC指针跳转到RAM中的操作系统启动地址。610.1.1Bootloader

的作用（续4）在嵌入式Linux软件系统的开发中，一般将软件分为启动引导程序(Bootloader)、操作系统内核(OSKernel)、根文件系统(FileSystem)、图形窗口系统(GUI)和应用程序(AP)等几个部分，其中前三部分是一个可运行的嵌入式系统必不可少的，它们在开发的过程中，被分别独立地编译链接或打包为一个二进制目标文件，然后下载（烧录）到嵌入式系统的ROM（一般是Flash）中。后两部分如果有的话，通常也是和根文件系统一起打包后烧录到Flash中。因此在Bootloader阶段，也提供了对Flash设备的分区格式化的支持，其空间分配通常如图所示。710.1.2Bootloader

的工作模式对于嵌入式系统的开发人员而言，Bootloader通常包含“启动加载”和“下载”这两种不同的工作模式。当然，这两种工作模式的区别一般仅仅对于开发人员才有意义，而对最终用户来说，Bootloader

的作用就是用来加载操作系统，从而启动整个嵌入式系统。

810.1.2Bootloader

的工作模式（续1）启动加载（Bootloading）模式－－正常启动模式下载（Downloading）模式－－提供给开发人员或者技术支持人员使用910.1.3Bootloader

的启动流程

启动流程分为stage1和stage2两个阶段一般依赖于CPU体系结构的代码，比如设备初始化代码等，都放在stage1中，而且通常都用汇编语言来实现，以达到短小精悍且启动快的目的；而stage2则通常用C语言来实现，这样可以实现各种复杂的功能（比如串口、以太网接口的支持等）

101、Bootloader的第一阶段

①

硬件设备初始化。包括屏蔽所有中断；关闭看门狗；设置CPU的速度与时钟；RAM初始化；关闭CPU内部指令/数据cache等。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。⑤跳转到stage2的C入口点main()函数处。112、Bootloader的第二阶段

①初始化本阶段要使用到的硬件设备。②检测系统内存映射(memorymap)。③将kernel映像和根文件系统映像从

flash上读到RAM空间中。④为内核设置启动参数。⑤调用内核。1210.2S3C2410平台下Linux的BootloaderViviU-BOOT1310.2.1

vivi1.vivi简介

vivi是由韩国mizi公司为ARM处理器系列设计的一个bootloader。它同样支持启动加载模式和下载工作模式。在下载模式下，vivi为用户提供一个命令行人机接口，通过这个人机接口可以使用vivi提供的一些命令。如果嵌入式系统没有键盘和显示，那么可以利用vivi中的串口，将其和宿主机连接起来，利用宿主机中的串口软件（如windows中的超级终端或者Linux中的minicom）来控制。1410.2.1vivi（续1）

vivi常用的命令Load命令：将二进制文件写入Flash或RAM。例如：

Loadflashx表示向flash芯片中烧录内核映像zImage文件，与宿主机的通信采用xmodem协议。Part命令：操作MTD分区信息，比如显示、增加、删除、复位MTD分区等。例如partshowBon命令：用于NANDFlash的简单分区。Param命令：用于设置参数。Boot命令：启动系统。Flash命令：管理Flash.例如删除Flash的数据。152.vivi文件结构

Vivi的文件目录包括arch，init，lib，drivers和include等几个目录，共200多条文件。

arch:包括vivi支持的所有目标板（CPU的类型）。

init:只包含main.c和version.c两个文件，vivi将从main.c函数开始执行。

lib:一些公共平台接口代码。

drivers:设备驱动程序代码，其中包含引导内核需要的设备驱动程序（mtd和串口），mtd目录下又分为map,nand,nor这3个子目录。

include:头文件共用目录。其中s3c2410.h定义了s3c2410CPU的所用寄存器，而platform/smdk2410.h则定义了开发板相关的资源配置参数等。163.vivi的配置和编译

vivi的配置和嵌入式Linux内核一样，可以采用菜单化的形式进行。其步骤主要如下：①#makedistclean。清除一些早先生成的无用的目标文件。②#makemenuconfig。然后可以根据菜单中的信息进行配置。③编译。菜单配置完毕后，保存退出。然后执行“make”命令开始编译。174.Vivi的第一阶段分析

vivi的第一阶段主要完成了依赖于CPU的体系结构硬件初始化，包括禁止中断、初始化串口、复制第二阶段到RAM中等。由于这些代码是和硬件紧密相关的,因此要求读者在阅读时对照S3C2410处理器的数据手册,查阅相关的寄存器的描述，以便更好地理解。这些汇编代码全部就集中在vivi\arch\s3c2410目录下的head.S这一个汇编文件中，当然还有相关的头文件。

程序代码参见WORD文档185.

vivi第二阶段的分析vivi的第二阶段的入口就是init/main.c，按照源代码的组织流程，根据模块化划分的原则，共分为8个功能模块即八个步骤，在源代码的注释中以step非常清晰的给出了区分。195.

vivi第二阶段的分析（续1）第一步：vivi从main()函数开始执行，函数开始通过putstr(vivi_bannner)打印出vivi的版本。第二步：主要是初始化GPIO，本的思路和方法就是在把握好整个系统硬件资源的前提下，根据芯片的数据手册把所有的初始值设定，在这里利用set_gpios这个函数就可以完成初始化了。

第三步：进行内存映射初始化和内存管理单元（MMU）的初始化工作205.

vivi第二阶段的分析（续2）第四步：初始化堆，然后内存会发生变化。在这里，实际上就是实现动态内存分配策略。第五步：初始化mtd设备第六步：配置参数，主要是init_priv_data函数。第七步：提供vivi人机接口的各种命令。第八步：进入Bootloader的两种模式之一.2110.2.2U-bootU-Boot，全称UniversalBootloader，是遵循GPL条款的开放源码项目它还支持NetBSD,VxWorks,QNX,RTEMS,ARTOS,LynxOS等嵌入式操作系统。其目前主要支持的目标操作系统有OpenBSD,NetBSD,FreeBSD,4.4BSD,Linux,SVR4,Esix,Solaris,Irix,SCO,Dell,NCR,VxWorks,LynxOS,pSOS,QNX,RTEMS,ARTOS等，因此功能比较强大，这也是U-Boot中Universal的一层含义。2210.2.2U-bootU-Boot的主要特点有：①开放源码；

②支持多种嵌入式操作系统内核，如Linux、NetBSD,VxWorks,QNX,RTEMS,ARTOS,

LynxOS；

③支持多个处理器系列，如PowerPC、ARM、x86、MIPS、XScale；

④较高的可靠性和稳定性；

④较高的可靠性和稳定性；

⑤高度灵活的功能设置，适合U-Boot调试、操作系统不同引导要求、产品发布等；

⑥丰富的设备驱动源码，如串口、以太网、SDRAM、FLASH、LCD、NVRAM、EEPROM、RTC、键盘等；

⑦较为丰富的开发调试文档与强大的网络技术支持；2310.2.2U-boot常用命令:Help/?Bdinfo

setenv

printenvsaveenvmwmdmmflin

foerase[起始地址结束地址].cp[源地址目标地址大小]imi[起始地址]bootm[起始地址]tftboot[起始地址镜像名]reset2410.2.2U-bootU-boot文件结构U-boot代码采用了一种高度模块化的编程方式,与移植树有关的有以下几个目录.board：这个目录存放了所有U-boot支持的目标板的子目录,如board/smdk2410/*就是我们说关心的.要将U-boot移植到自己的s3c2410x目标板上,必须参考这个目录下的内容,比如对比Flash以及Flash宽度和大小的定制邓就要修改其中的flash.c。common：独立于处理器体系结构的通用代码，如内存大小探测与故障检测；

cpu：与处理器相关的文件。如mpc8xx子目录下含串口、网口、LCD驱动及中断初始化等文件；

2510.2.2U-bootdriver：通用设备驱动，如CFIFLASH驱动(目前对INTELFLASH支持较好)fs：这个目录中存放了U-boot支持的文件系统.

examples：可在U-Boot下运行的示例程序；如hello_world.c,timer.c；Include：U-Boot头文件；这个目录存放头文件的公共目录,其中include/configs/smdk2410.h定义了所有和

S3C2410X相关的资源的配置参数,我们往往只需修改这个文件就可以配置目标板的参数,如波特率、引导参数、物理内存映射等。

2610.2.2U-boot

lib_xxx：处理器体系相关的文件，如lib_ppc,lib_arm：目录分别包含与PowerPC、ARM体系结构相关的文件；net：与网络功能相关的文件目录，如bootp,nfs,tftp；post:上电自检文件目录。尚有待于进一步完善；rtc

rtc:驱动程序；tools:用于创建U-BootS-RECORD和BIN镜像文件的工具；2710.3其他常见的Bootloader1.WinCE的BootloaderNboot和Eboot是WinCE的Bootloader。Nboot是nandflashbootloader的简写，CPU可以直接从nandflash启动，但是其代码大小不能超过4k，功能有限；Eboot则支持ethernetnetwork（以太网），功能强大，用于Ehternet在线调试和下载。

28Eboot提供的命令命

令说

明Help列出所有支持的命令并加以说明Eboot从宿主机上通过网线下载CE