BootLoader_BootLoader是什么

一.简介

回忆一下PC的体系结构我们可以知道，PC机中的引导加载程序由BIOS(其本质就是一段固件程序)和位于硬盘MBR中的OSBootLoader(比如，LILO和GRUB等)一起组成。BIOS在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘MBR中的BootLoader读到系统的RAM中，然后将控制权交给OSBootLoader。BootLoader的主要运行任务就是将内核映象从硬盘上读到RAM中，然后跳转到内核的入口点去运行，也即开始启动操作系统。而在嵌入式系统中，通常并没有像BIOS那样的固件程序(注，有的嵌入式CPU也会内嵌一段短小的启动程序)，因此整个系统的加载启动任务就完全由BootLoader来完成。比如在一个基于ARM7TDMIcore的嵌入式系统中，系统在上电或复位时通常都从地址0x00000000处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader程序。

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。

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。

引导加载程序是系统加电后运行的第一段软件代码。

本文将从BootLoader的概念、BootLoader的主要任务、BootLoader的框架结构以及BootLoader的安装等四个方面来讨论嵌入式系统的BootLoader。

二.BootLoader的概念

简单地说，BootLoader就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。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图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。

1.BootLoader所支持的CPU和嵌入式板

每种不同的CPU体系结构都有不同的BootLoader。有些BootLoader也支持多种体系结构的CPU，比如U-Boot就同时支持ARM体系结构和MIPS体系结构。除了依赖于CPU的体系结构外，BootLoader实际上也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。这也就是说，对于两块不同的嵌入式板而言，即使它们是基于同一种CPU而构建的，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，通常也都需要修改BootLoader的源程序。

2.BootLoader的安装媒介(InstallationMedium)

系统加电或复位后，所有的CPU通常都从某个由CPU制造商预先安排的地址上取指令。比如，基于ARM7TDMIcore的CPU在复位时通常都从地址0x00000000取它的第一条指令。而基于CPU构建的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备(比如：ROM、EEPROM或FLASH等)被映射到这个预先安排的地址上。因此在系统加电后，CPU将首先执行BootLoader程序。

3.用来控制BootLoader的设备或机制

主机和目标机之间一般通过串口建立连接，BootLoader软件在执行时通常会通过串口来进行I/O，比如：输出打印信息到串口，从串口读取用户控制字符等。

4.BootLoader的启动过程

BootLoader的启动过程是单阶段(SingleStage)还是多阶段(Multi-Stage)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，也即启动过程可以分为stage1和stage2两部分。而至于在stage1和stage2具体完成哪些任务将在下面讨论。

5.BootLoader与主机之间进行文件传输所用的通信设备及协议

最常见的情况就是，目标机上的BootLoader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。在讨论了BootLoader的上述概念后，下面我们来具体看看BootLoader的应该完成哪些任务。

三.BootLoader的主要任务与典型结构框架

在继续本节的讨论之前，首先我们做一个假定，那就是：假定内核映像与根文件系统映像都被加载到RAM中运行。之所以提出这样一个假设前提是因为，在嵌入式系统中内核映像与根文件系统映像也可以直接在ROM或Flash这样的固态存储设备中直接运行。但这种做法无疑是以运行速度的牺牲为代价的。

从操作系统的角度看，BootLoader的总目标就是正确地调用内核来执行。另外，由于BootLoader的实现依赖于CPU的体系结构，因此大多数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，而且通常都用汇编语言来实现，以达到短小精悍的目的。

而stage2则通常用C语言来实现，这样可以实现给复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。

BootLoader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BootLoader的stage2准备RAM空间。

拷贝BootLoader的stage2到RAM空间中。

设置好堆栈