Bootloader的简介

Bootloader的概念

一、Bootloader的引入

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(无论从本地，比如Flash；还是从远端，比如通过网络)复制到内存中运行，就称这段程序为Bootloader。

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。

可以增强Bootloader的功能，比如增加网络功能、从PC上通过串口或网络下载文件、烧写文件、将Flash上压缩的文件解压后再运行等──这就是一个功能更为强大的Bootloader，也称为Monitor。实际上，在最终产品中用户并不需要这些功能，它们只是为了方便开发。

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，所以不可能有一个Bootloader支持所有的CPU、所有的电路板。即使是支持CPU架构比较多的U-Boot，也不是一拿来就可以使用的(除非里面的配置刚好与你的板子相同)，需要进行一些移植。

二、 Bootloader的启动方式

CPU上电后，会从某个地址开始执行。比如ARM结构的CPU则从地址0x0000000开始。嵌入式单板中，需要把存储器件ROM或Flash等映射到这个地址，Bootloader就存放在这个地址开始处，这样一上电就可以执行。

在开发时，通常需要使用各种命令操作Bootloader，一般通过串口来连接PC和开发板，可以在串口上输入各种命令、观察运行结果等。这也只是对开发人员才有意义，用户使用产品时是不用接串口来控制Bootloader的。从这个观点来看，Bootloader可以分为两种操作模式(Operation Mode)：

（1）启动加载(Boot loading)模式。

上电后，Bootloader从板子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。产品发布时，Bootloader工作在这种模式下。

（2）下载(Downloading)模式。

在这种模式下，开发人员可以使用各种命令，通过串口连接或网络连接等通信手段从主机(Host)下载文件(比如内核映像、文件系统映像)，将它们直接放在内存运行或是烧入Flash类固态存储设备中。

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；还可以使用网络通过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。

像Blob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。 编辑]
15.1.2 Bootloader的结构和启动过程

1. 概述

在移植之前先了解Bootloader的一些通用概念，对理解它的代码会有所帮助。

在一个嵌入式Linux系统中，从软件的角度通常可以分为4个层次：

（1）引导加载程序，包括固化在固件(firmware)中的 boot 代码(可选)和Bootloader两大部分。

有些CPU在运行Bootloader之前先运行一段固化的程序(固件，firmware)，比如x86结构的CPU就是先运行BIOS中的固件，然后才运行硬盘第一个分区(MBR)中的Bootloader。

在大多嵌入式系统中并没有固件，Bootloader是上电后执行的第一个程序。

（2）Linux内核。

特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。内核的启动参数可以是内核默认的，或是由Bootloader传递给它的。

（3）文件系统。

包括根文件系统和建立于Flash内存设备之上的文件系统。里面包含了Linux系统能够运行所必需的应用程序、库等，比如可以给用户提供操作Linux的控制界面的shell程序，动态连接的程序运行时需要的glibc或uClibc库，等等。

（4）用户应用程序。

特定于用户的应用程序，它们也存储在文件系统中。有时在用户应用程序和内核层之间可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。常用的嵌入式 GUI 有：Qtopia 和 MiniGUI 等。

显然，在嵌入系统的固态存储设备上有相应的分区来存储它们。

“Boot parameters”分区中存放一些可设置的参数，比如IP地址、串口波特率、要传递给内核的命令行参数等。正常启动过程中，Bootloader首先运行，然后它将内核复制到内存中(也有些内核可以在固态存储设备上直接运行)，并且在内存某个固定的地址设置好要传递给内核的参数，最后运行内核。内核启动之后，它会挂接(mount)根文件系统(“Root filesystem”)，启动文件系统中的应用程序。

2. Bootloader的两个阶段

Bootloader的启动过程启动过程可以分为单阶段(Single Stage)、多阶段(Multi-Stage)两种。通常多阶段的Bootloader能提供更为复杂的功能，以及更好的可移植性。从固态存储设备上启动的Bootloader大多都是 2 阶段的启动过程。这从前面的硬件实验可以很好地理解这点：第一阶段使用汇编来实现，它完成一些依赖于 CPU 体系结构的初始化，并调用第二阶段的代码。第二阶段则通常使用C语言来实现，这样可以实现更复杂的功能，而且代码会有更好的可读性和可移植性。

一般而言，这两个阶段完成的功能可以如下分类，但这不是绝对的：

（1）Bootloader第一阶段的功能。

硬件设备初始化。

为加载Bootloader的第二阶段代码准备RAM空间。

拷贝Bootloader的第二阶段代码到 RAM 空间中。

设置好栈。

跳转到第二阶段代码的C入口点。

在第一阶段进行的硬件初始化一般包括：关闭WATCHDOG、关中断、设置CPU的速度和时钟频率、RAM初始化等。这些并不都是必需的，比如S3C2410/S3C2440的开发板所使用的U-Boot中，就将CPU的速度和时钟频率的设置放在第二阶段。

甚至，将第二阶段的代码复制到RAM空间中也不是必需的，对于NOR Flash等存储设备，完全可以在上面直接执行代码，只不过这相比在RAM中执行效率大为降低。

（2）Bootloader第二阶段的功能。

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)。

将内核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。

为了方便开发，至少要初始化一个串口以便程序员与Bootloader进行交互。

所谓检测内存映射，就是确定板上使用了多少内存，它们的地址空间是什么。由于嵌入式开发中，Bootloader多是针对某类板子进行编写，所以可以根据板子的情况直接设置，不需要考虑可以适用于各类情况的复杂算法。

Flash上的内核映像有可能是经过压缩的，在读到RAM之后，还需要进行解压。当然，对于有自解压功能的内核，不需要Bootloader来解压。

将根文件系统映像复制到RAM中，这不是必需的。这取决于是什么类型的根文件系统，以及内核访问它的方法。

为内核设置启动参数将在下一小节介绍。

将内核存放在适当的位置后，直接跳到到它的入口点即可调用内核。调用内核之前，下列条件要满足：

（1）CPU 寄存器的设置

R0＝0

R1＝机器类型ID；对于ARM结构的CPU，其机器类型ID可以参见 linux/arch/arm/tools/mach-types。

R2＝启动参数标记列表在 RAM 中起始基地址

（2）CPU工作模式。

必须禁止中断（IRQs和FIQs）

CPU 必须 SVC 模式

（3）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