ARM-Linux嵌入式系统的Boot Loader分析与设计

引言

由Boot Loader和固化在固件(firmware)中的Boot代码(可选)共同组成一个嵌入式系统的引导加载程序。它的作用和功能就像固化到计算机内主板上的一个ROM芯片程序BIOS(basic input output system)。但是它一般不配置像BIOS那样的固件程序，这是因为要考虑经济方面的原因，因此必须自己完成这方面的工作。Boot Loader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。它的实现严重地依赖于硬件，特别是在嵌入式系统中，即使基于同一个CPU的Boot Loader，对于不同的板子，也有很大的不同。

1 Boot Loader分析

系统加电，然后复位后，基本上所有的CPU都是从复位地址上取得指令的。以微处理器为核心的嵌入式系统中，通常都有某种类型的固态存储设备(FLASH，E2PROM等)，这个固态存储设备被映射到一个预先设置好的地址上。在系统加电复位后，一开始处理器就会去执行存放在复位地址处的程序，而且通过开发环境可以将Boot Loader定位在复位地址一开始的存储空间上，因此Boot Loader是系统加电后，在操作系统内核或者一些应用程序被运行之前，首先会运行的程序。对于嵌人式系统来说，比较复杂的或者为了方便后期开发大的应用程序，有的使用操作系统，也有很多的情况下，因功能简单，或仅包括应用程序的系统不使用操作系统，但是不论有无操作系统在启动时都必须执行Boot Loader，为的是准备好软硬件运行环境。

以微处理器为核心的嵌入式系统中，一般都有某种类型的固态存储设备(FLASH，E2PROM等)，这个固态存储设备被映射到一个预先设置好的地址上。在系统加电复位后，一开始处理器就会去执行存放在复位地址处的程序。而且通过开发环境可以将Boot Loader定位在复位地址一开始的存储空间上，因此Boot Loader是系统加电后，在操作系统内核或者一些应用程序被运行之前，首先会运行的程序。对于Linux系统，它的主要任务有以下7个方面。

(1)初始化处理器及外设的硬件资源配置。一般嵌入式系统的处理器在上电复位后，外部的I／O引脚都处于输入状态，处理器的片内和片外设备资源都需要配置。

(2)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环境，这样就能为最终启动操作系统的内核提供最好条件。

(3)把操作装载到映射的内存中，这也是所有任务当中最重要的一个，只有完成这个任务，操作系统才能被装载到内存当中去，Boot Loader一般会提供串口和网络装载两种方式。

(4)为了把操作系统的映像保存在FLASH中，以便以后启动，可以直接装载FLASH的数据，而不用重新下载程序，但需要对FLASH进行编程。

(5)运行操作系统。设置相关的寄存器和资源，跳转到操作系统的所在空间，进行相关的引导，这就是Boot Loader。

(6)在Linux系统启动时，传递系统的启动参数，可以给内核传递命令行等参数，通过命令行可以选择控制系统的启动模式。

(7)命令行的解析和输入／输出控制。为了开发的方便，多数的Boot Loader都采用串口作为终端的控制方式。
Boot Loader的启动过程可分为两个重要阶段。第一阶段：由于Boot Loader的实现依赖于CPU的体系结构，所以设备代码的初始化等功能都在该阶段完成。而且，为了达到缩短代码的目的，通常用汇编语言来编写。在这一阶段的执行过程中，又可分为几个方面。

①硬件设备的初始化。在该阶段的执行过程中，首先需要对硬件设备进行初始化，其目的主要是为第二阶段的执行以及随后Kernel的调用准备基本的硬件环境。
②为加载Boot Loader的第二阶段准备RAM空间。为了获得更快的执行速度，通常把第二阶段加载到RAM空间中来执行。因此，必须为加载Boot Loader准备好一段可用的RAM空间范围。
③设置堆栈指针。设置堆栈是为了执行C语言代码作好准备。
④跳转到第二阶段的C入口点。当程序执行到这个位置时，可以通过修改PC寄存器的值，使其跳转到第二阶段。

第二阶段阶段的启动流程分析：为了便于实现复杂的功能和获得更好的代码可读性和可移植性，通常第二阶段的代码用C语言来实现。但是，与普通C语言的不同之处是，这里使用了"弹簧床"的概念，即先用汇编语言写一段小程序，并将这段小程序作为第二阶段可执行映像的执行入口点，然后在汇编程序中用CPU跳转指令跳入main()函数中去执行，当main()函数返回时，CPU执行路径再次返回到汇编程序中第二阶段，包括初始化本阶段要使用的硬件设备，检测系统内存映射，会将Kernel映像和根文件系统映像从FLASH中读到RAM空间中，为内核设置启动参数调用内核。