嵌入式BootLoader技术

嵌入式BootLoader技术

PC机的引导代码就是BIOS，由主板厂商提供，BIOS的代码一般都是保密的，负责完成硬件检测和资源的分配。完成任务后，会将控制权交给操作系统的BootLoader.

在嵌入式系统中，由于硬件资源的限制，通常没有BIOS那样的固化程序，所以整个系统的加载启动就全部由操作系统的BootLoader来完成处理。一般来说，BootLoader会映射到0x00000000地址片，所以当系统加电后通常会转到该地址片，也就是运行系统的BootLoader。

>> BootLoader的基本概念

BootLoader（引导装载程序），就是运行操作系统内核之前的所运行的一段小程序，通过这段小程序，可以对系统的硬件设备进行初始化、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件设置为一个合适的环境，以便为最终调用操作系统内核作好正确的准备。

一、   BootLoader所支持的CPU和嵌入式板

一般来说，不同的CPU体系结构需要不同的BootLoader,但有些功能强大的也会同时支持不同体系结构的CPU，U-Boot就同时支持多种体系结构，如X85,ARM,DSP等。除了依赖CPU的体系结构外，也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置，如板卡的硬件地址的分配，RAM芯片的类型以及其他外设的类型等。

现有的各种BootLoader（支持的CPU）:

LILO(X86)、GRUB（x86）、Blob（ARM），U-Boot（x86,ARM,PowerPC），vivi（ARM）

二、   BootLoader的安装点和启动过程

在嵌入式系统加电或复位，所有CPU从CPU制造商预先安排的地址上取指令，ARM加电或复位后，通常从地址0x00000000取第一条指定。而固态存储设备通常被映射到这个预先安排的地址在，从而在系统加电后，CPU首先执行BootLoader程序。

ＢootLoader所在的存储设备的空间分配图：

Bootloader

启动参数

内核

根文件系统

应用程序。。。

三、   BootLoader的操作模式

从开发人员角度，Bootloader包含两种操作模式：

1、         启动加载：也叫自主模式，Bootl    oad从目标机上的某个存储设备将操作系统加载到RAM中运行，没有用户的介入，也是默认、正常的工作模式。

2、         下载模式：目标机上的Bootload将通过串口连接或网络等通信手机从主机上下载文件，先被Bootload保存到目标机的RAM中，然后再被Bootload写到固态存储设备上。也就是烧写时的工作模式。

四、   BootLoader与主机之间的通信方式

主机和目标机之间一般用串口建立连接，通常会通过串口来进行I/O，比如：输出打印信息，从串口读取用户控制字符等，最常见就是，目标机上的Bootload通过串口与主机之间进行文件传输，传输协议通过Xmodem/ymodem协议。

五、   Bootload的典型结构框架

Bootload的引导和装载分为两部分，一部分依赖于CPU的体系结构，通常放在stag1中，汇编语言来实现；第二部分stag2，通常由C语言来实现，可以复杂的功能，同时有更好的可读性和可移植性。

1、         stag1通常包括以下步骤

（1）          硬件设备初始化

屏蔽所有中断；设备CPU的速度和时钟频率；RAM初始化；LED初始化；关闭CPU内部指令/数据cache

（2）          为加载Bootload的stag2准备RAM空间

（3）          复制Bootload的stag2到RAM空间

（4）          设备好堆栈

（5）          跳转到stag2的C入口点。

2、         stag2通常包括以下步骤：

（1）          初始化本阶段要使用的硬件设备。

至少初始化一个串口，初始化计时器，输出提示信息。

（2）          检测系统内存映像RAM

（3）          将kernel映像和根文件系统映象从Flash上读到RAM空间中。

（4）          为内核设置启动参数

（5）          调用内核

>>引导加载程序：GRUB

4．2．1 LINUX操作系统的启动流程

1、加载BIOS的硬件信息，并获取第一个启动设备的代号。

2、读取第一个启动设备的MBR（主引导记录）的引导加载程序（即lilo,grub,spfdisk等）的启动信息。

3、加载核心操作系统的内核信息，内核开始解压缩，并且尝试驱动所有硬件设备。

4、内核执行init程序（/sbin/init）并获取运行信息。

Init程序所做的工作很多，除了利用设置文件/etc/inittab来获取运行等级之外，还会通过运行等级的设置值启动不同的服务项目。

5、init程序执行/etc/rc.d/rc.sysinit文件。

表示“我开始加载各项系统服务之前，先做好整个系统环境，主要使用该脚本来设置系统环境。”主要工作：

（1）          获取网络环境（/etc/sysconfig/network）与主机类型。

（2）          测试与载入内存设备/proc及USB设备/sys

（3）          决定是否启动SELinux

（4）          接口设备的检测与PNP（即插即用）参数的测试

（5）          用户自定义模块的加载（/etc/sysconfig/modules/*.modules）

（6）          加载内核的相关设置（/etc/sysctl.conf）

（7）          设置系统时间

（8）          设置终端控制台的字型

（9）          设置RAID与LVM等硬盘功能

（10）     以fsck检验磁备文件系统

（11）     进行磁盘配额quoto的转换。

（12）     重新以可读取模式载入系统磁盘

（13）     启动quoto功能

（14）     启动系统随机数设备

（15）     清除启动过程中的临时文件

（16）     将启动相关信息加载到/var/log/dmesg文件中

6、启动系统服务与相关启动设置文件

/etc/rc.d/rc.n与/etc/sysconfig

7、用户自定义引导启动程序/etc/rc.d/rc.local

8、根据/etc/inittab设置加载终端（tty1...）或X-Window界面

4.2.2 Grub

一、该引导加载程序分成阶段来执行：

1、stag1 :第一阶段为主程序，这个主程序必须安装在启动区，即MBR或超级块（第一个扇区）。

MBR是整个硬盘的第一个扇区，大小不可能超过512B.

所以第一阶段通常仅安装引导加载程序的最小主程序，并没有安装加载程序的相关设置文件。

 

 

3、         stag2：第二阶段为载入引导加载程序的所有设置与相关环境参数文件，一般在/boot下面。

二、GRUB（Grand Unified Bootloader）

特点：1、支持启动时使用命令行模式

3、         支持MD5加密保护

4、         可从ext2/ext3,JFS,FAT,MINIX,FFS文件系统上启动

5、         其配置为/boot/grub/grub.conf

6、         若硬盘上的MBR被更改过，可使用grub-install /dev/sdax来重新安装grub

例：1、dd if=/dev/sda of=mbr bs=512 count=1

       Hexdump –C mbr

      把sda的第一个扇区的512B导出

55 aa :硬盘的有效识别标识

例2： stag2：/boot/grub/grub.conf

       Root (hd0,0)表示内核文件放置的分区

          Kernel:后面接的是内核的文件名，后面的是内核的参数

     Initrd:使用initrd制作出的RAM Disk的文件名

例3：破坏MBR，即grub的第一阶段代码

Dd if=/dev/zero of=/dev/sda bs=512 count=1

解决方案：

1、         重启reboot

2、         F12引导 boot:3 rescue

3、         Chroot /mnt/sysimage

4、         Grub-install /dev/sda

例4：破坏第二阶段代码

Mv /boot/grub/grub.conf /mnt

解决：1、grub> root(hd0,0)

2、grub>kernel /vmlinux-2.6.18

3、grub>initrd /initrd-2.6.18.img

4、grub>boot

4．3 bootloader---vivi

>> vivi简介

Vivi是韩国MIZI Research公司为其开发的SMDK2410开发板编写的一款Bootloader，目前的版本是0.1.4，vivi也有两种工作模式，启动加载可以在一段时间后自行启动Linux内核，这是vivi的默认模式；下载模式，vivi为用户提供一个命令行接口，通过接口可以使用vivi提供的一些命令：

1、         load：把二进制文件载入Flash或者RAM。

2、         part：操作MTD分区信息，显示、增加、删除、复位、保存MTD分区。

3、         param 设置参数

4、         boot启动系统

5、         flash 管理Flash，比如删除Flash的数据

4．3．2 vivi源码目录

包括arch,init,lib,drivers和include等几个目录，共有200多个文件：

1、         arch:此目录包括了所有vivi支持的目标板的子目录，如：s3c2410目录

2、         drivers:其中包括了引导内核需要的设备的驱动程序。mtd目录下的maps,nand,nor三个目录分别是内存映射、NAND Flash驱动和NOR Flash驱动。

3、         init：这个目录只有main.c和version.c两个文件，vivi将从main函数开始执行。

4、         lib：一些平台公共的接口代码，比如：time.c里的udelay()

5、         include：头文件的公共目录，其中s3c2410.h定义了该处理器的一些寄存器、NANDFlash的一些寄存器。

Platform/smdk2410.h定义与开发相关的资源配置参数，我们只需修改这个文件就可以配置目标板的参数，如波特率、引导参数、物理内存映射等。

一、   vivi的第一阶段代码

vivi/arch/s3c2410/head.S：

1、       关闭看门狗

2、         禁止所有中断

3、         初始化系统时钟

4、         始始化内存控制寄存器

R1:内存控制器的基地址

R2：参数表的起始地址

R3：参数表的结束地址

5、         检查是否从掉电模式唤醒，若是，则调用WakeupStart函数进行处理。

6、         点亮所有LED

7、         初始化UART0：

设置GPIO，选择UART0使用的引脚；初始化UART0，设置工作方式，波特率115200，8数据位，无检验，1个停止位

8、         将vivi所有代码从nand Flash中复制到SDRAM

9、         跳到init/main.c中的main函数

二、   vivi的第二阶段代码

init/main.c

1、         输出vivi版本信息，用于将内存清零

2、         初始化定时器和设置GPIO引脚功能

3、         初始化MMU，启动MMU

4、         初始化堆栈区域

5、         检测所有的NAND Flash型号，构造MTD设备

6、         传递启动内核的命令参数

7、         命令处理函数

8、         启动vivi_shell,终端，调用OS内核

>>vivi的编写、编译

配置vivi可以使用以下命令：

Make distclean

Make clean

Make menuconfig根据自己的开发板进行适当的配置，保存退出后执行make开始编译。

例1：修改vivi启动时显示信息。

修改init/version.c

修改字符串vivi-banner

例2：添加mytest命令

修改init/main.c 中init_builtin_cmds增加add_command

添加命令功能：

1、         复制文件

Cp –af ./arch/s3c2410/smdk2410_test.c ./lib/my_test.c

2、         编辑./lib/Config_cmd.in文件

Bool ‘built-in my test command’ CONFIG_MY_TEST

3、         编辑./lib/Makefile

Obj -$(CONFIG_MY_TEST)+=my_test.o

4、         编辑my_test.c文件

5、         在./lib/command.c文件中的init_builtin_cmds中添加命令

Extern user_command_t   my_test_cmd;

add_command(&my_test_cmd);

user_command_t mytest_cmd={....} ;

3、         编译配置

Make menuconfig添加命令

[ ]built_in my test command

4、编译make