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役奠羽
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1 第 3 章 Bootloader 移植 Bootloader 是在嵌入式系统运行之前运行的一段程序运行 Bootloader 程序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调整到一个合适的状态, 以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境本章主要介绍两种常见的 Bootloader 及其移植过程 3.1 Bootloader 介绍体系结构不同的 CPU 都有不同的 Bootloader, 有些 Bootloader 支持多种不同类型体系结构的处理器, 如 U-boot 通常,Bootloader 不但依赖于 CPU 的体系结构, 而且依赖于特定的嵌入式板设备的配置, 即对于两块不同的嵌入式板而言, 即使它们是基于同一种 CPU 而构建的, 要运行在一块开发板上的 Bootloader 程序能够运行在另一块开发板上, 通常需要修改 Bootloader 的源程序以适应不同的开发板 Bootloader 与嵌入式 Linux 系统的关系从软件的角度可将嵌入式 Linux 系统划分成 4 个层次,4 个层次由低层到高层分别如下所述引导加载程序 : 包括固化在固件中 (firmware) 的 boot 代码 ( 可选 ) 和 Bootloader 两大部分内核 : 给具体类型开发板定制的内核及控制内核引导系统的参数文件系统 : 包括根文件系统和建立于 FLASH 内存设备上的文件系统用户应用程序 : 用户的应用程序, 包括 GUI Web 服务器数据库网络协议栈等 Bootloader 基本概念 Bootloader 是在操作系统内核运行前执行的一段小程序, 类似在启动 Windows 系统前运行的 BIOS 程序通过这段小程序, 完成了对必要硬件设备的初始化, 创建内核需要的信息并将这些信息通过相关机制传递给内核, 从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态, 最终调用操作系统内核, 起到引导和加载内核的作用

内核映像和根文件系统映像的固态存储设备的典型空间分配结构图, 如图 3.1 所示图 3.1 固态存储设备的典型空间分配结构图 2.

2 第 3 章 Bootloader 移植 1.Bootloader 的安装媒介系统每次加电或复位后,CPU 都会固定从预先设定的地址上取指令基于 CPU 构建的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备 ( 比如 ROM EEPROM 或 FLASH 等 ) 被映射到这个预先设定的地址上一个同时安装有 Bootloader 内核的启动参数内核映像和根文件系统映像的固态存储设备的典型空间分配结构图, 如图 3.1 所示图 3.1 固态存储设备的典型空间分配结构图 2.Bootloader 启动过程分类 Bootloader 启动过程分为单阶段和多阶段两种相对单阶段 Bootloader 而言, 多阶段 Bootloader 的功能更加复杂, 可移植性更加优越从固态存储设备上启动 Bootloader 一般可分为两个阶段的启动过程, 即 stage 1 和 stage 2 3.Bootloader 的操作模式绝大部分 Bootloader 均包含两种不同类型的操作模式, 即启动加载模式和下载模式启动加载模式 : 这种模式也称为自主模式即 Bootloader 从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到 RAM 中运行, 整个过程并没有用户的介入启动加载模式为 Bootloader 的正常工作模式, 因此在嵌入式产品发布时,Bootloader 只能工作在该模式下下载模式 : 这种模式下, 目标机上的 Bootloader 将通过串口连接网络连接或 USB 连接等通信手段从主机 (Host) 下载文件, 如下载内核映像文件和文件系统映像文件等从主机下载的文件通常首先被 Bootloader 保存到目标板的 ROM 中, 然后再被 Bootloader 写到目标板上的 FLASH 类固态存储设备中 Bootloader 的这种模式通常在第一次安装内核与根文件系统时被使用, 或者在系统更新时使用 Bootloader 工作在下载模式时, 通常都会提供一个命令行接口给它的终端用户, 以供用户通过命令行控制 Bootloader 的工作 65

3 第 2 篇系统移植技术篇 Bootloader 启动过程 Bootloader 的启动过程分为 stage1 和 stage2 两个阶段, 通常 stage1 是用汇编语言完成, 而 stage2 则用 C 语言来实现, 以便于在 stage2 阶段实现更加复杂的功能和取得更好的代码可读性及可移植性下面介绍两个阶段分别完成的不同工作 1.stage1 完成的工作 (1) 基本的硬件初始化包括以下工作 : 屏蔽所有中断为中断提供服务通常是操作系统设备驱动程序的责任, 因此在 Bootloader 的启动全过程中可以不必响应任何中断屏蔽中断可以通过写 CPU 的中断屏蔽寄存器或状态寄存器 ( 比如 ARM 的 CPSR 寄存器 ) 来完成设置 CPU 速度和时钟频率初始化 RAM 包括正确设置系统内存控制器的功能寄存器, 以及各内存库控制寄存器等初始化 LED 典型地, 通过 GPIO 来驱动 LED, 其目的是检查当前系统的状态是 OK 还是 ERROR 如果板子上没有 LED, 那么也可以通过初始化 UART 向串口打印 Bootloader 的 Logo 字符信息来完成这一点关闭 CPU 内部指令和数据 cache 灯 (2) 准备 RAM 空间加载 stage2 为了获得更快的执行速度, 通常把 stage2 加载到 RAM 空间中来执行, 所以必须准备好一段可用的 RAM 空间范围用来加载 Bootloader 的 stage2 (3) 复制 stage2 到 RAM 中执行复制时要确定两类地址 : 第一,stage2 的可执行映像在固态存储设备的存放起始地址和终止地址 ; 第二,RAM 空间的起始地址 (4) 设置堆栈指针 sp 设置堆栈指针是为执行 C 语言代码做准备在设置堆栈指针 sp 之前, 也可以关闭 LED 灯, 以提示用户我们准备跳转到 stage2 (5) 跳转到 stage2 的 C 入口点在 ARM 处理器中, 实现跳转的方法是通过修改 PC 寄存器为合适的地址 2.stage2 完成的工作 (1) 使用汇编语言跳转到 main() 入口函数用汇编语言写一段 trampoline 小程序, 并将这段 trampoline 小程序作为 stage2 可执行映像的执行入口点然后在 trampoline 汇编小程序中用 CPU 跳转指令跳入 main() 函数中去执行 ; 而当 main() 函数返回时,CPU 执行路径再次回到 trampoline 程序这种方法的思想是 : 用这段 trampoline 小程序作为 main() 函数的外部包裹 (external wrapper) (2) 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 (3) 检测系统的内存映射所谓内存映射是指在整个 4GB 物理地址空间中, 有哪些地址范围被分配用来寻址系统的 RAM 单元 (4) 加载内核映像文件和根文件系统映像文件包括规划内存分配布局和从 Flash 上 66

4 第 3 章 Bootloader 移植复制数据规划内存分配布局包括内核映像所占用的内存范围和根文件系统所占用的内存范围 (5) 设置内核的启动参数在将内核映像和根文件系统映像复制到 RAM 空间中后, 就可以准备启动 Linux 内核了在调用内核之前, 应该做一步准备工作, 即设置 Linux 内核的启动参数 3.2 Bootloader 之 U-Boot U-Boot( 全称 Universal Boot Loader) 是遵循 GPL 条款的开放源码项目从 FADSROM 8xxROM PPCBOOT 逐步发展演化而来其源码目录编译形式与 Linux 内核很相似, 实际上, 在 U-Boot 的源码中很多是相应的 Linux 内核源程序的简化, 尤其体现在一些设备驱动程序的源代码上, 而且读者可以从 U-Boot 源码的注释中能够直接看到源码来自 Linux 内核源码 U-Boot 不仅能够引导加载嵌入式 Linux 系统, 还能引导加载 NetBSD VxWorks QNX RTEMS ARTOS LynxOS 嵌入式操作系统其目前支持的目标操作系统是 OpenBSD NetBSD FreeBSD 4.4BSD Linux SVR4 Esix Solaris Irix SCO Dell NCR VxWorks LynxOS psos QNX RTEMS 和 ARTOS U-Boot 中 Universal 的一方面是指支持前面提到的通用操作系统, 另一方面是指 U-Boot 支持通用的处理器, 包括 PowerPC MIPS x86 ARM NIOS 和 XScale 等不同体系结构的常用系列处理器对大多数操作系统的支持和大多数处理器的支持是 U-Boot 项目的开发目标从目前情况来看,U-Boot 对 PowerPC 系列处理器的支持最丰富, 对 Linux 操作系统的支持最完善 U-Boot 优点 U-Boot 在目前的嵌入式开发中被广泛采用, 是因为其具有很多优点其优点包括以下几点 : 开放源码 ; 支持多种嵌入式操作系统内核, 如 Linux NetBSD VxWorks QNX RTEMS ARTOS LynxOS; 支持多个处理器系列, 如 PowerPC ARM x86 MIPS XScale; 较高的可靠性和稳定性 ; 高度灵活的功能设置, 适合 U-Boot 调试操作系统不同引导要求产品发布等 ; 丰富的设备驱动源码, 如串口以太网 SDRAM FLASH LCD NVRAM EEPROM RTC 键盘等; 较为丰富的开发调试文档与强大的网络技术支持 U-Boot 的主要功能 U-Boot 的功能非常强大, 其主要功能如下 67

5 第 2 篇系统移植技术篇系统引导 : 支持 NFS 挂载 RAMDISK( 压缩或非压缩 ) 形式的根文件系统, 支持 NFS 挂载, 从 FLASH 中引导压缩或非压缩系统内核基本辅助功能 : 强大的操作系统接口功能 ; 可灵活设置传递多个关键参数给操作系统, 满足系统不同阶段的开发调试和产品发布要求, 特别是对 Linux 支持最完善 ; 支持目标板环境参数多种存储方式, 如 FLASH NVRAM 和 EEPROM;CRC32 校验, 可校验 FLASH 中内核 RAMDISK 镜像文件是否完好设备驱动 : 串口 SDRAM FLASH 以太网 LCD NVRAM EEPROM 键盘 USB PCMCIA PCI 和 RTC 等驱动支持上电自检功能 :SDRAM FLASH 大小自动检测 SDRAM 故障检测 CPU 型号检测特殊功能 :XIP 内核引导 U-Boot 目录结构以 U-Boot 为例介绍其目录结构共有 27 个文件可以分为 3 类第 1 类目录与处理器体系结构或者开发板硬件直接相关 ; 第 2 类目录是一些通用的函数或者驱动程序 ; 第 3 类目录是 U-Boot 的应用程序工具或者文档以 U-Boot 为例, 其顶层目录下各级子目录的存放规则, 如表 3.1 所示表 3.1 U-Boot 各级子目录存放规则目录特性说明 board cpu 存放已有开发板相关的目录文件, 例如 RPXlite(mpc8xx) smdk2410 (arm920t) 和 sc520_cdp(x86) 等目录存放与 CPU 相关的目录文件, 例如 mpc8xx ppc4xx arm720t arm920t xscale 和 i386 等目录 lib_arm 存放 ARM 体系结构通用的相关文件, 主要是实现 ARM 平台通用的函数 lib_avr32 avr32 系统结构通用的文件 lib_blackfin lib_generic 通用库函数的实现存放对 ADI Blackfin6 体系结构通用的文件, 主要用于实现 ADI Blackfin 平台通用的函数 lib_i386 存放 X86 体系结构下通用的相关文件, 主要是实现 X86 平台通用的函数 lib_m68k 存放对 m68k 体系结构通用的文件, 主要用于实现 m68k 平台通用的函数 lib_microblaze 存放对赛灵思公司 32 位 MicroBlaze 处理架构体系结构通用的文件, 主要用于实现 MicroBlaze 平台通用的函数 lib_mips 存放对 MIPS 体系结构通用的文件, 主要用于实现 MIPS 平台通用的函数 lib_nios 存放对 NIOS 体系结构通用的文件, 主要用于实现 NIOS 平台通用的函数 lib_nios2 存放对 Nios-II 体系结构通用的文件, 主要用于实现 Nios-II 平台通用的函数 lib_ppc nand_spl 通用 Nand Flash boot 的程序存放 PowerPC 体系结构通用的相关文件, 主要是实现 PowerPC 平台通用的函数 68

6 第 3 章 Bootloader 移植 net 目录特性说明通用 post 通用存放上电自检程序 rtc 通用 RTC 的驱动程序续表存放网络的程序,BOOTP 协议 TFTP 协议 RARP 协议和 NFS 文件系统的实现 tools 工具存放制作 S-Record 或者 U-Boot 格式的映像等工具, 例如 mkimage crc 等 common 通用通用的多功能函数实现 disk 通用硬盘接口程序 doc 文档存放开发帮助相关文档 drivers 通用存放通用的设备驱动程序, 主要有以太网接口的驱动 dtt 通用存放数字温度测量器或者传感器的驱动 examples 应用例程一些独立运行的应用程序的例子, 例如 hello_world fs 通用存放文件系统的程序 include 通用存放头文件和开发板配置文件, 所有开发板的配置文件都在 configs 目录下 U-Boot 的编译本节主要以 u-boot 为例介绍 U-Boot 编译的主要步骤, 针对的开发板是 mini2440 其他版本的 U-Boot 移植主要步骤与其类似由于目前 U-Boot 对主流开发板的支持非常好, 因此在 u-boot 中已经支持直接将 U-Boot 编译为适用于 FriendlyARM 公司 mini2440 开发板的二进制程序 u-boot 的下载地址 ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/ 下载 u-boot tar.bz2, 然后执行如下命令完成编译 : #tar xvjf u-boot tar.bz2 #cd u-boot #make mini2440_config #make all 编译生成的 u-boot.bin 在当前目录下当然, 读者可以使用如下的命令指定生成文件的位置 : #make mini2440_config O=/bin/dir 3.3 小结本章主要介绍了 Bootloader 的启动流程, 以及这个启动流程在 U-Boot 和 vivi 上是如何体现的本章还介绍了两种 Bootloader 在 ARM 平台的移植, 通过介绍移植的主要步骤, 使读者大致了解移植 Bootloader 时需要注意的方面 ; 通过代码分析让读者清楚 Bootloader 执行流程和功能 69

幻灯片 1

幻灯片 1 嵌入式操作系统陈香兰 xlanchen@ustc.edu.cn Fall 2009 Boot Loader v 本章从以下四个方面来讨论嵌入式系统的 Boot Loader, 包括 : Ø Boot Loader 的概念 Ø Boot Loader 的主要任务 Ø Boot Loader 的框架结构 Ø Boot Loader 的安装 Ø 部分开源的 boot loader 2 嵌入式 Linux