ARM-Linux嵌入式系统的Boot Loader分析与设计

0 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。

2 Boot Loader的设计
2．1 中断向量表(二级)的设计与建立
    如果有中断或者异常发生时，处理器便会强制性地把PC指针指向向量表中它所对应的中断类型地址值。为了提高中断响应速度，FLASH的0x0地址存放能跳转到0x33FFFF00地址处中断向量的跳转指令，也就是会在在RAM中建立一个二级中断向量表，起始地址为0x33FFFF00。除了复位外，所有的异常入口地址都由FLASH跳转得到，代码如下：
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2．2 第二阶段拷贝到RAM
    把第二阶段Stage2拷贝到RAM地址的最顶大小为1 MB的开始空间，RAM的起始地址为0x30000000。代码如下所示：

2．3 堆栈指针的设置
    用户使用哪些中断决定了系统堆栈的初始化，以及系统需要处理的哪些错误类型。一般情况下，堆栈设置是必须，而且是由管理者自己设置的。如果需要使用IRQ中断，那么IRQ堆栈的设置也是必须的，下面是IRQ堆栈的设置：
   

3 Stage2的设计
3．1 可执行映像Stage2的入口
    由于Glibc库支持的函数不能用于编译和链接Boot Loader这样用C语言编写的程序，因此把main()函数的起始地址作为第二阶段的入口点是最直接的想法。可以用汇编编写一段Trampoline小程序，用CPU跳转指令跳到main()函数去执行，当函数返回时会再次回到Trampoline程序，代码如下：
   
    程序顺利时就不会再回到开始的Trampoline程序，不然就会回到最后的语句，系统就会重新启动。[page]

3．2 内存影射
    一般S3C2410上配置的SDRSAM大小为64 MB，该SDRAM的物理地址范围是Ox30000000～Ox33FFFFFF(属于Bank 6)。由Section的大小可知，
该物理空间可被分成64个物理段。因为ARM体系结构中数据缓冲必须通过MMU开启，因此Boot Loader效率不是很高，但是MMU可以通过平板映射(虚拟地址和物理地址相同)方式被开启，这样使用内存空间Dcache，从而使Boot Loader的运行速度得到有效的提高。映射关系代码如下：

3．3 装载内核映像和根文件系统映像
    像ARM这样的嵌入式CPU通常都是在统一的内存地址空间中寻址FLASH等固态存储设备的，因此从Flash上读取数据与从RAM单元中读取数据一样，用一个简单的循环就可以完成从FLASH设备上拷贝映像的工作：其中count为根文件系统映像的大小或内核映像的大小。

3．4 内核的启动参数的设置
    内核启动可以从NAND FLASH(NOR FLASH)中启动运行Linux，需要修改启动命令如下：

    LCD启动参数一般都包括root，init和console。noinitrd不使用ramdisk。root根文件系统在MTD分区。Init内核运行入口命令文件。co-nsol内核信息控制台，ttys0表示串行口0；tty0表示虚拟终端。

4 结语
    通过对Boot Loader的分析可以看出，设计一个性能优良的Boot Loader可以提高系统的稳定性及实时性，它是嵌入式开发中不可或缺的一部分。只有设计出一个稳定的Boot Loader，才能进行下一步的系统开发工作，直至完成整个嵌入式系统的开发。设计Boot Loader是一项很复杂的工作，需要对硬件资源和所用的操作系统有很深的理解。在实际开发中可以根据需要简化设计，去除不必要的系统功能，这样可以大大提高程序执行的效率和稳定性。这里给出的Boot Loader已经顺利通过了调试，可以正常加载操作系统。