嵌入式系统的Boot Loader技术

内容提要
1. Boot Loader程序的基本概念
2. Boot Loader的典型结构框架
3. Boot Loader实验
实验一 Boot Loader应用实验
实验二 U-BOOT的分析和移植

1. Boot Loader程序的基本概念
Boot Loader就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序
初始化硬件设备和建立内存空间的映射图
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
系统的Boot Loader程序通常安排在地址0x00000000 处

Boot Loader所支持的硬件环境
每种不同的CPU体系结构都有不同的Boot Loader
Boot Loader的安装地址
Boot Loader相关的设备和机制
主机和目标机之间一般通过串口建立连接
Boot Loader的启动过程

Boot Loader的操作模式
启动加载模式
下载模式
Boot Loader与主机之间的通信设备及协议

2. Boot Loader的典型结构框架
操作系统的角度看，Boot Loader的总目标就是正确地调用内核来执行
大多数Boot Loader都分为阶段1和阶段2两大部分
阶段1实现依赖于CPU体系结构的代码
阶段2实现一些复杂的功能

2.1 Boot Loader阶段1介绍
Boot Loader 的阶段1通常包括以下步骤：
1）硬件设备初始化。
屏蔽所有的中断
设置CPU的速度和时钟频率
RAM初始化
初始化LED
关闭CPU内部指令／数据Cache

2）为加载阶段2准备RAM空间
除了阶段2可执行映象的大小外，还必须把堆栈空间也考虑进来
必须确保所安排的地址范围的的确确是可读写的RAM空间

3）拷贝阶段2到RAM中
4）设置堆栈指针sp
5）跳转到阶段2的C入口点
Boot Loader 的 阶段2 可执行映象刚被拷贝到 RAM 空间时的系统内存布局，如下图：

2.2 Boot Loader阶段2介绍
1）初始化本阶段要使用到的硬件设备
初始化至少一个串口，以便和终端用户进行I/O输出信息
初始化计时器等

typedef struct memory_area_struct {
u32 start; /* 内存空间的基址 */
u32 size; /* 内存空间的大小 */
int used;
} memory_area_t;
2）检测系统的内存映射
内存映射的描述
可以用如下数据结构来描述RAM地址空间中的一段连续的地址范围：
内存映射的检测

3）加载内核映像和根文件系统映像
规划内存占用的布局
内核映像所占用的内存范围
MEM_START + 0X8000
根文件系统所占用的内存范围
MEM_START + 0X00100000
从Flash上拷贝
While循环

4）设置内核的启动参数
标记列表(tagged list)的形式来传递启动参数，启动参数标记列表以标记ATAG_CORE开始，以标记ATAG_NONE结束
嵌入式Linux系统中，通常需要由Boot Loader设置的常见启动参数有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD

params = (struct tag *)BOOT_PARAMS;
params->hdr.tag = ATAG_CORE;
params->hdr.size = tag_size(tag_core);
params->u.core.flags = 0;
params->u.core.pagesize = 0;
params->u.core.rootdev = 0;
params = tag_next(params);
例：设置ATAG_CORE的代码如下：
BOOT_PARAMS 表示内核启动参数在内存中的起始基地址，指针params是一个struct tag类型的指针。宏tag_next()将以指向当前标记的指针为参数，计算出当前标记的下一个标记的起始地址

HOW TO CALL ?
5）调用内核
CPU寄存器的设置：
R0＝0；
R1＝机器类型ID；关于机器类型号，可以参见：
linux/arch/arm/tools/mach-types。
R2＝启动参数标记列表在RAM中起始基地址；
CPU 模式：
必须禁止中断（IRQs和FIQs）；
CPU必须SVC模式；
Cache和MMU的设置：
MMU必须关闭；
指令Cache可以打开也可以关闭；
数据Cache必须关闭；
HOW TO CALL ?

2.3 关于串口终端
向串口终端打印信息也是一个非常重要而又有效的调试手段
如果碰到串口终端显示乱码或根本没有显示的问题，可能是因为：
Boot Loader 对串口的初始化设置不正确
运行在host 端的终端仿真程序对串口的设置不正确

Boot Loader 启动内核后却无法看到内核的启动输出信息：
确认内核在编译时是否配置了对串口终端的支持，并配置了正确的串口驱动程序
Boot Loader 对串口的初始化设置是否和内核对串口的初始化设置一致
还要确认 Boot Loader 所用的内核基地址必须和内核映像在编译时所用的运行基地址一致

3. Boot Loader实验
实验一 Boot Loader应用实验
实验二 U-BOOT的分析和移植

实验一 Boot Loader应用实验（1）
烧写XsBase255的BootLoader
编译生成XsBase255专用的JTAG程序 Jflash-XSBase255
编译生成XSBase的Boot Loader x-boot255
正确连线
利用JTAG烧写BootLoader

实验一 Boot Loader应用实验（2）
熟悉使用 Bootloader 指令，执行各个指令后将其结果与下表的 description进行比较

X-HYPER255> reload kernel

X-HYPER255> tftp zImage kernel
X-HYPER255> tftp zImage 0xa0000000

XSBASE255> flash kernel
XSBASE255> flash 0xc0000 0xa0000000 0x100000

XSBASE255> boot
XSBASE255> boot 0 200
XSBASE255> boot 0xa0008000 0 200

实验二 U-BOOT的分析和移植（1）
U-BOOT的特点
在线读写Flash、DOC、IDE、IIC、EEROM、RTC 。其他一般的BOOT-LOADER不支持IDE和DOC的在线读写。
支持串行口kermit和S-record下载代码
识别二进制、ELF32、uImage格式的Image，对Linux引导有特别的支持
单任务软件运行环境

脚本语言支持(类似BASH脚本)
支持WatchDog、LCD logo和状态指示功能
支持MTD和文件系统
支持中断
详细的开发文档

实验二 U-BOOT的分析和移植（2）
U-BOOT源代码结构
/board：和一些已有开发板相关的文件
/common：与体系结构无关的文件，实现各种命令的C文件
/cpu：CPU相关文件
/disk：disk驱动的分区处理代码
/doc：文档
/drivers：通用设备驱动程序，如网卡串口USB等

/fs:支持文件系统的文件
/net：与网络有关的代码
/lib_arm：与ARM体系结构相关的代码
/tools：创建S-Record格式文件 和U-BOOT images的工具

实验二 U-BOOT的分析和移植（3）
对U-BOOT的移植
建立自己开发板的目录和相关文件
在include/configs目录中添加头文件xsbase.h
在board/目录下新建xsbase目录，创建如下文件：flash.c、memsetup.S、xsbase.c、Makefile和u-boot.lds
添加网口设备控制程序，cs8900网口设备的控制程序cs8900.c 和cs8900.h

实验二 U-BOOT的分析和移植（4）
修改Makefile
在u-boot-1.1.2/Makefile中加入：
xsbase_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm pxa xsbase

实验二 U-BOOT的分析和移植（5）
生成目标文件
先运行make clean
然后运行make xsbase_config
再运行make all
生成三个文件：
u-boot——ELF格式的文件，可以被大多数Debug程序识别。
u-boot.bin——二进制bin文件，这个文件一般用于烧录到用户开发板中。
u-boot.srec——Motorola S-Record格式，可以通过串行口下载到开发板中