引導(dǎo)加載程序

1、1.引言在專用的嵌入式板子運(yùn)行GNULinux系統(tǒng)已經(jīng)變得越來(lái)越流行。一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)從軟件的角度看通?？梢苑譃樗膫€(gè)層次：1.引導(dǎo)加載程序。引導(dǎo)加載程序。包括固化在固件(firmware)中的boot代碼(可選)，和BootLoader兩大部分。2.LinuxLinux內(nèi)核。內(nèi)核。特定于嵌入式板子的定制內(nèi)核以及內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù)。3.文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)。包括根文件系統(tǒng)和建立于Flash內(nèi)存設(shè)備之上文件系統(tǒng)。通常用ramdisk來(lái)作為

2、rootfs。4.用戶應(yīng)用程序。用戶應(yīng)用程序。特定于用戶的應(yīng)用程序。有時(shí)在用戶應(yīng)用程序和內(nèi)核層之間可能還會(huì)包括一個(gè)嵌入式圖形用戶界面。常用的嵌入式GUI有：MicroWindows和MiniGUI懂。引導(dǎo)加載程序是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段軟件代碼。回憶一下PC的體系結(jié)構(gòu)我們可以知道，PC機(jī)中的引導(dǎo)加載程序由BIOS(其本質(zhì)就是一段固件程序)和位于硬盤MBR中的OSBootLoader（比如，LILO和GRUB等）一起組成。BIOS在完成硬

3、件檢測(cè)和資源分配后，將硬盤MBR中的BootLoader讀到系統(tǒng)的RAM中，然后將控制權(quán)交給OSBootLoader。BootLoader的主要運(yùn)行任務(wù)就是將內(nèi)核映象從硬盤上讀到RAM中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點(diǎn)去運(yùn)行，也即開始啟動(dòng)操作系統(tǒng)。而在嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒有像BIOS那樣的固件程序（注，有的嵌入式CPU也會(huì)內(nèi)嵌一段短小的啟動(dòng)程序），因此整個(gè)系統(tǒng)的加載啟動(dòng)任務(wù)就完全由BootLoader來(lái)完成。比如在一個(gè)基于ARM7TDMIce

4、的嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)在上電或復(fù)位時(shí)通常都從地址0x00000000處開始執(zhí)行，而在這個(gè)地址處安排的通常就是系統(tǒng)的BootLoader程序。本文將從BootLoader的概念、BootLoader的主要任務(wù)、BootLoader的框架結(jié)構(gòu)以及BootLoader的安裝等四個(gè)方面來(lái)討論嵌入式系統(tǒng)的BootLoader。2.BootLoader的概念簡(jiǎn)單地說(shuō)，BootLoader就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過這段小程序，我們

5、可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。通常，BootLoader是嚴(yán)重地依賴于硬件而實(shí)現(xiàn)的，特別是在嵌入式世界。因此，在嵌入式世界里建立一個(gè)通用的BootLoader幾乎是不可能的。盡管如此，我們?nèi)匀豢梢詫?duì)BootLoader歸納出一些通用的概念來(lái)，以指導(dǎo)用戶特定的BootLoader設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。1.BootLoader所支持的CPU和嵌入式板每種

6、不同的CPU體系結(jié)構(gòu)都有不同的BootLoader。有些BootLoader也支持多種體系結(jié)構(gòu)的CPU，比如UBoot就同時(shí)支持ARM體系結(jié)構(gòu)和MIPS體系結(jié)構(gòu)。除了依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)外，BootLoader實(shí)際上也依賴于具體的嵌入式板級(jí)設(shè)備的配置。這也就是說(shuō)，對(duì)于兩塊不同的嵌入式板而言，即使它們是基于同一種CPU而構(gòu)建的，要想讓運(yùn)行在一塊板子上的BootLoader程序也能運(yùn)行在另一塊板子上，通常也都需要修改BootLoader的

7、源程序。次安裝內(nèi)核與根文件系統(tǒng)時(shí)被使用；此外，以后的系統(tǒng)更新也會(huì)使用BootLoader的這種工作模式。工作于這種模式下的BootLoader通常都會(huì)向它的終端用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單的命令行接口。像Blob或UBoot等這樣功能強(qiáng)大的BootLoader通常同時(shí)支持這兩種工作模式，而且允許用戶在這兩種工作模式之間進(jìn)行切換。比如，Blob在啟動(dòng)時(shí)處于正常的啟動(dòng)加載模式，但是它會(huì)延時(shí)10秒等待終端用戶按下任意鍵而將blob切換到下載模式。如果在1

8、0秒內(nèi)沒有用戶按鍵，則blob繼續(xù)啟動(dòng)Linux內(nèi)核。6.BootLoader與主機(jī)之間進(jìn)行文件傳輸所用的通信設(shè)備及協(xié)議最常見的情況就是，目標(biāo)機(jī)上的BootLoader通過串口與主機(jī)之間進(jìn)行文件傳輸，傳輸協(xié)議通常是xmodem／ymodem／zmodem協(xié)議中的一種。但是，串口傳輸?shù)乃俣仁怯邢薜?，因此通過以太網(wǎng)連接并借助TFTP協(xié)議來(lái)下載文件是個(gè)更好的選擇。此外，在論及這個(gè)話題時(shí)，主機(jī)方所用的軟件也要考慮。比如，在通過以太網(wǎng)連接和TFT

9、P協(xié)議來(lái)下載文件時(shí)，主機(jī)方必須有一個(gè)軟件用來(lái)的提供TFTP服務(wù)。在討論了BootLoader的上述概念后，下面我們來(lái)具體看看BootLoader的應(yīng)該完成哪些任務(wù)。3.BootLoader的主要任務(wù)與典型結(jié)構(gòu)框架在繼續(xù)本節(jié)的討論之前，首先我們做一個(gè)假定，那就是：假定內(nèi)核映像與根文件系統(tǒng)映像都被加載到RAM中運(yùn)行。之所以提出這樣一個(gè)假設(shè)前提是因?yàn)椋谇度胧较到y(tǒng)中內(nèi)核映像與根文件系統(tǒng)映像也可以直接在ROM或Flash這樣的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備中直接

10、運(yùn)行。但這種做法無(wú)疑是以運(yùn)行速度的犧牲為代價(jià)的。從操作系統(tǒng)的角度看，BootLoader的總目標(biāo)就是正確地調(diào)用內(nèi)核來(lái)執(zhí)行。另外，由于BootLoader的實(shí)現(xiàn)依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)，因此大多數(shù)BootLoader都分為stage1和stage2兩大部分。依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼，比如設(shè)備初始化代碼等，通常都放在stage1中，而且通常都用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到短小精悍的目的。而stage2則通常用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)給復(fù)雜的功能