BootLoader的概念及功能

在以ARM為代表的嵌入式系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)內核運行前的硬件初始化、建立內核鏡像等都是由BootLoader來完成的。在PC機上，最先啟動的是主板上的BIOS， BIOS負責對硬件初始化，給操作系統(tǒng)提供硬件的接口函數等等，但在嵌入式操作系統(tǒng)中并沒有BIOS，因此整個嵌入式操作系統(tǒng)的加載啟動任務就完全由 BootLoader來完成。




圖1BootLoader流程圖

BootLoader 通常存放于目標平臺的非易失存儲介質中，主要用于完成由硬件啟動到操作系統(tǒng)啟動的過渡，能夠在上電后對SDRAM、CACHE、FLASH等硬件部分進行檢測，建立內存空間的映射圖和內核鏡像，建立通訊通道和調試通道等，還能夠提供ShellMenu檢測設置菜單和相應的檢測程序，引導操作系統(tǒng)及應用程序，從而為最終調用操作系統(tǒng)內核準備好正確的環(huán)境。

目前，嵌入式系統(tǒng)中廣泛應用的UBoot、vivi、blob、 armboot等BootLoader在原有功能的基礎上，增加了更多的功能并大大增強了移植性。嵌入式系統(tǒng)中硬件的種類繁多，差距較大，而 BootLoader是嚴重依賴于硬件而實現的。不同的CPU體系需要不同的BootLoader，即便是同一種體系結構，由于其它硬件設備配置的不同，如板卡硬件地址的分配、RAM芯片的型號等，也需要對BootLoader作一定的修改才能使用。因此，開發(fā)人員需針對不同的處理器和開發(fā)板，對 BootLoader進行定制，來實現不同的功能。

BootLoader的操作模式

BootLoader通常包括“啟動加載(Bootloading)”和“下載(Downloading)”兩種模式。這兩種操作模式僅對開發(fā)人員具有一定的意義。

啟動加載模式：BootLoader從目標機上的固態(tài)存儲設備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中運行，無需用戶介入。此模式是BootLoader正常的工作模式。

下載模式：在這種模式下，目標機上的BootLoader通過串口連接或網絡連接等手段從主機上下載文件到目標機的RAM中，然后再燒寫到目標機上的固態(tài)存儲設備中。通常在第一次安裝內核與根文件系統(tǒng)以及系統(tǒng)的更新時使用此模式。

BootLoader的具體實現

硬件配置

本文以UP-NetARM3000為例來介紹BootLoader的工作機理和運行流程。UP-NetARM3000使用的是三星公司生產的 S3C44B0X芯片，這是三星公司推出的一款高性價比和高性能的微控制器。它具有32位的ARM7TDMI內核，外部時鐘為8MHz，內部倍頻最高可達 72MHz，工作頻率為64MHz。S3C44B0X通過提供全面的、通用的片上外設，大大減少了系統(tǒng)中處理器以外的元器件配置，從而使系統(tǒng)的成本大大降低，它集成的各種片上功能包括：8KBCache、擴展內存控制器、2通道UART帶有握手協(xié)議、1通道SIO、2個通用DMA、2個外設用DMA、外部存儲控制器、LCD控制器、IIC/IIS總線接口、5個通道PWM定時器和一個內部定時器、看門狗定時器、71個通用I/O口、8個外部中斷源、8通道10位ADC、片上PLL時鐘產生器等。

BootLoader的啟動流程

大多數 BootLoader通常都分為Stage1和Stage2兩大部分。Stage1通常由匯編語言編寫，即BootLoader的啟動代碼，旨在對部分硬件設備進行初始化。Stage2即BootLoader的主代碼，為了實現更加復雜的功能，使代碼具有更好的可讀性和可移植性，通常由Ｃ語言來實現，主要用來加載操作系統(tǒng)內核。具體啟動流程如圖1所示。

·Stage1部分

設置CPU的速度、時鐘頻率及中斷控制寄存器

BootLoader 的啟動代碼首先定義了一個全局入口，然后對異常向量進行設置。由于BootLoader嚴重的依賴于硬件而實現，因此根據CPU體系結構和具體的硬件配置來設置CPU的速度、時鐘頻率及中斷控制寄存器。除完成上述功能，啟動代碼還需要實現禁止看門狗定時器、設置時鐘控制寄存器、設置鎖相環(huán)控制寄存器、使能所有功能單元塊時鐘等功能。另外，系統(tǒng)中斷的設置也是在這部分實現的，主要是中斷向量表和IRQ中斷入口地址的設置。

存儲器的分配

S3C44B0X的存儲系統(tǒng)具有一些主要特征，如：支持數據存儲的大、小端選擇；地址空間具有8個存儲體，每個存儲體可達32MB；對所有存儲體的訪問大小均可以進行改變；7個存儲器的起始地址固定，1個存儲器的起始地址可變。在本文介紹的這款 BootLoader中，啟動代碼通過對BUSWIDTH的賦值來使能各個存儲器。其具體對應情況如右面所示：

啟動代碼還有一個重要的任務—初始化內存控制寄存器，它主要通過設置13個從0x01c80000開始的寄存器來實現，包括BWSCON總線寬度與等待狀態(tài)控制寄存器、BANKCONn塊控制寄存器。標號SMRDATA處為將要賦予內存控制寄存器的具體值。以ResetHandler標號地址為參照，根據其偏移地址推算出SMRDATA標號地址的實際位置，然后讀取該處的數據對內存控制寄存器進行賦值。






圖2映像文件地址映射

形成可執(zhí)行文件

在嵌入式系統(tǒng)應用程序中，可執(zhí)行文件通常包括RO(Read_Only)段、RW(Read_Write)段和BSS段。當需要燒寫內存中的映像文件到 FLASH中時，通常都會把BootLoader代碼先移到FLASH的高地址空間中，因為通常RO的地址都是0x0，防止在燒寫時覆蓋本來在 FLASH中已有的BootLoader代碼。程序編譯、鏈接時要求編譯器設置的Read_Only地址要和最終代碼下載的地址相同，如圖2所示。

BootLoader 映像文件最終運行的地址空間是0Bank，因此將ROBase設置為0x0,RWBase設置為0x0c60000，經編譯后生成bin格式的可執(zhí)行文件燒寫到FLASH0地址處。在程序運行之前，RO段和RW段全部放在FLASH中，RO段可以直接在FLASH中運行，而RW必須調入SDRAM中才可以運行，因此，程序運行過程中RO段保持已設置完畢的0x0地址不變，而必須將RW段拷貝到RWBase即0x0c60000地址處，并將ZI段進行零初始化。



·Stage2部分

初始化硬件

BootLoader 主程序對串口進行調試并對本階段所涉及的硬件進行檢測后，通過串口下載鏡像到目標機中。主代碼中定義了LCD_Test()、LED_Test()、 ADTest()、KeyTest()、BootSystem()等函數測試部分硬件的功能。以AD的檢測函數為例簡要介紹檢測函數功能具體的實現。 ADTest_Loop()是針對AD硬件的操作函數，而Set_UartLoopFunc()函數是把ADTest_Loop()設置到串口輪詢函數數組中(串口輪詢函數數組中還包括其他的檢測函數)，AD檢測函數在對目標進行操作的同時查詢是否有停止命令，如果Uart_Getch()函數沒有查詢到串口有輸入的停止命令，調用串口輪詢數組中的其他函數，否則立刻返回。



檢測內存及引導系統(tǒng)

在BootLoader的主程序中需要檢測重要的硬件——內存，檢測完畢后會分別通過串口和LCD輸出提示信息。接下來會等待查詢是否有鍵按下，當沒有鍵按下時，正常引導操作系統(tǒng)，否則顯示ShellMenu。

BootLoader 程序在獲得系統(tǒng)的控制權之后，對關鍵硬件檢測并且沒有發(fā)現故障，控制臺也沒有發(fā)出啟用ShellMenu檢測菜單的情況下，根據文件系統(tǒng)的管理和支持，從NANDFLASH中讀取操作系統(tǒng)或應用程序的代碼到SDRAM的指定位置，然后把程序指針轉移到該位置，從而使操作系統(tǒng)獲得控制權，完成引導過程。

staticvoid(*run)(void)=(void(*)(void))DOWNLOAD_ADDRESS，在程序中定義得此函數指針能夠把指定位置的地址強制轉換為函數指針類型，然后使用run()函數即可運行該地址處的指令。在實現引導功能的代碼中，打開并讀取指定的系統(tǒng)文件到指定的位置DOWNLOAD_ADDRESS(0xc080000)處即完成了裝載，將程序指針指向已指定的這個位置，使用run ()函數運行該地址處的指令，即可實現控制的轉移。當看到屏幕上顯示操作系統(tǒng)的啟動信息后，BootLoader完成任務，成功的引導了操作系統(tǒng)。

結語

本文介紹了在基于S3C44B0X的UP-NETARM3000的實驗板上移植uCOS系統(tǒng)的 BootLoader。不同的開發(fā)板具有不同的CPU體系結構和外圍硬件設備，但BootLoader的工作機理都是類似的，明確開發(fā)板的硬件資源和具體即將移植的操作系統(tǒng)后，對BootLoader進行具體裁減和修改。