Microsoft PowerPoint - 第十一讲：Bootloader.ppt

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问徵大
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1 十一讲 :Bootloader 技术段勃

2 嵌入式软件系统嵌入式操作系统已经得到广泛应用带操作系统的嵌入式软件体系一般分为 : 引导加载程序操作系统内核文件系统 ( 可选 ) 用户应用程序

3 PC 机的引导加载程序 BIOS+MBR BIOS 的本质是一段固件程序 (Firmware) MBR 是磁盘上的一段分区, 位于磁盘的第一个扇区, 大小为 512B, 包含了磁盘的分区信息以及系统引导代码, 比如 Lilo Grub

4 PC 机的 Linux 引导加载过程启动过程 BIOS 完成硬件检测资源分配, 然后将引导代码 (512B) 读入内存 0x7c00 中, 然后跳转到 0x7c00 运行 ( 将 CPU 控制权交给引导程序 ) 引导代码将自己搬移到 0x90000, 再跳转到该地址执行, 然后将磁盘上的 setup 和内核映像读入内存 0x90200, 并跳转到 setup 运行在 setup 中完成处理器设置解压缩等操作, 将内核解压到一个固定地址, 然后跳转到此地址运行, 从而进入到内核初始化过程

5 嵌入式系统中的引导程序一般嵌入式系统没有 BIOS 引导程序被称为 Bootloader 引导程序完成硬件检测资源分配和操作系统内核的引导 ( 拷贝 + 跳转 ) Bootloader 还需要完成映像下载 flash 烧写代码调试等功能常用的开源 Bootloader 有 u-boot Blob redboot vivi 等

6 Bootloader 的特点 (1) 与硬件关系密切与具体 CPU 类型有关与系统的具体硬件实现 ( 电路板 ) 有关与具体操作系统无关通常保存在某种被映射到 CPU 某个指定地址 ( 一般为 0x00,reset 的入口地址 ) 的固态存储器中一旦系统开始运行,Bootloader 便不再起作用

7 Bootloader 的特点 (2) Bootloader 启动可以是单阶段或多阶段, 代码可以都在 flash 中运行, 或者一部分在 flash 中运行, 另一部分在 ram 中运行 ; 一般 bootloader 至少有一部分在 flash 中运行, 但有少数例外 ( 需要处理器支持 ) 一般 bootloader 有引导和下载两种工作模式还需要支持与主机 (Host) 之间的通信, 一般为串口

8 采用两级启动方式的 Bootloader(1) Stage1: 主要完成一些依赖于处理器体系结构的任务, 通常用汇编语言完成硬件设备初始化为加载 stage2 准备 RAM 空间将 stage2 代码复制到 RAM 空间, 并设置堆栈跳转到 stage2 的代码入口

9 采用两级启动方式的 Bootloader(2) Stage2: 完成诸如命令处理等更加复杂的功能, 通常用 C 语言完成初始化本阶段需要用到的其他硬件设备准备系统内存映射将操作系统内核从 Flash 中搬移到 RAM 中为内核设置启动参数调用内核入口函数

10 Bootloader 结构处理器启动初始化代码及中断向量表必要的设备管理机制和驱动函数对传输协议的支持由于需要完成下载功能, 需要同主机之间进行文件传输, 所以需要支持至少某种文件传输协议和相应的驱动程序, 一般通过串口, 需要支持 xmodem/ymodem/zmodem 等, 当然通过网络是一个更好的选择

11 Bootloader 结构由于 bootloader 在工作过程中 ( 尤其是调试阶段 ) 需要与开发者进行交互, 所以提供一个用户界面是必要的, 通常通过串口终端的方式来完成有些 bootloader 支持压缩格式, 也就是说可以在拷贝代码的过程中进行解压操作

12 Bootloader 代码结构一般的 Bootloader 的结构分成 : 目标处理器相关代码, 一般 stage1 的入口代码在此目录中目标板相关代码, 一般 stage2 的入口代码在此目录中驱动代码, 包括串口网络 USB 以及 ROM 操作驱动命令处理代码其他代码

13 Bootloader vivi Mizi 为 Samsung 的 ARM 开发板提供的一种 ARM bootloader 支持 autoboot 模式和 prompt 模式支持 xmodem 文件传输提供 flash 的操作功能, 以及 load part param boot 等命令

14 Vivi 代码结构 Arch: 包含 vivi 支持的处理器 Drivers: 包含了 MTD 和串口驱动程序 Init: 包含 main 程序, stage2 的入口点 Lib: 与平台无关的公共的代码, 比如 memory 操作命令操作等 Include: 所有头文件

15 目标板配置处理器 :samsung S3C2410X(ARM920T) 32M NandFlash, 用作 Boot 64M SDRAM, 地址范围 0x x33ffffff

16 S3C2410 不同 boot 方式的内存映射

17 从 NandFlash 启动的 2410 S3c2410 内置 NandFlash 控制器, 支持 NandFlash boot 模式在 NandFlash boot 时, 系统自动拷贝 NandFlash 最初 4K 的代码到片内 sram 中作为启动代码前 4K 代码完成 stage1 的工作

18 代码在存储区中的位置

19 Vivi 的存储器区域 _ROM VIVI_ROM_BASE: 使用 Bon 分区, 起始区域保存 vivi 代码, 然后是 Kernel 和 rootfs 映像, 除 vivi 起始为 VIVI_ROM_BASE 外, 其他的起始地址可变 VIVI_PRIV_ROM_BASE: 保存 Bon 分区表 Vivi 参数表 linux 系统启动参数 (commandline)

20 Vivi 的存储器区域 _RAM RAM_BASE: RAM 起始地址, 低地址留给内核使用, 高地址由 vivi 使用 VIVI 使用的 RAM 空间 : Vivi 在 RAM 中的起始地址 VIVI_RAM_BASE Vivi 使用的堆地址 :HEAP_BASE 2410 使用的 MMU 地址 :MMU_TABLE_BASE Vivi 参数地址 :VIVI_PRIV_RAM_BASE Vivi 使用的栈地址 :STACK_BASE

21 U-boot 简介起源于 PPC-BOOT 是一种通用的 Bootloader 开源, 高度模块化驱动程序丰富命令操作灵活

22 U-BOOT 代码结构 Board: 与目标板相关代码 Common: 命令的实现代码 Cpu: 与目标处理器相关代码 Drivers: 各种驱动程序 Fs: 支持的文件系统 Lib_arm:ARM 平台的公共接口代码

23 CPU 相关文件 Cpu.c 和 cpu 核相关的操作, 注意对于某一个系列的 cpu 来说, 这个文件一般是公共的 Start.s 入口点 Autoconfig.h 这个文件根据 Interrupts.c 这个文件定义了中断处理相关操作

24 Board 相关文件 lowlevel_init.s 用于初始化一些周边设备, 主要是存储器 Smdk2410.c 用于板级系统初始化 Flash.c 是板级系统的 Flash 驱动函数所在在此目录中, 包含了整个系统的.lds 文件

25 Lib_arm 中的相关文件 Armlinux.c arm 系统引导内核的函数所在文件 _umodsi3.s 和 _udivsi3.s 用于 arm 的算术运算 Cache.c 和 div0.c board.c 包含了 stage2 的入口点

26 U-boot 所使用的文件格式 U-boot 的 tools 目录提供一个工具 mkimage 用来将 elf 格式的 image 文件转成 uimage Vmlinux elf 格式 zimage 和 bzimage 经过压缩的 image 用 objcopy 可以将 elf 转成 bin 文件

27 U-boot 下载映像的制作过程编译内核, 得到 vmlinux 文件使用 objcopy 得到二进制文件 linux.bin ${CROSS_COMPILE}-objcopy -O binary \ -R.note -R.comment \ -S vmlinux linux.bin 压缩二进制文件 linux.bin, 得到 linux.bin.gz 使用 u-boot 工具 mkimage 将压缩文件打包, 加入 load 地址解压地址等信息

28 Linux 引导入口参数 Linux 内核入口参数的设置有两种方式一种是参数方式 ( 数据结构为 struct param_struct) 一种是 taglist 方式 ( 为 ATAG_CORE 和 ATAG_NONE 之间的一系列 ATAG_XXX 组成的列表 ) 数据结构定义 : Include/asm/Setup.h

29 Arm Linux 的入口代码 arch/arm/kernel/head-armv.s 入口点位 stext 检测处理器操作模式处理器类型等设置页表进入到 kernel_start (c 函数入口 )

30 kernel_start 该入口函数位于 kernel\init\main.c 该函数与具体平台无关, 完成 Linux 的启动流程完成参数获取解析初始化中断向量表任务调度初始化时钟初始化终端 console 初始化内存初始化等等, 最终启动多任务

ￊﾵ￑￩￈�vivi

ￊﾵ￑￩￈�vivi 实验三 BootLoader(vivi) 编译实验 1 实验目的了解 BootLoader 的作用和原理了解 vivi 定制方法, 根据实验台硬件特征, 修改 s3c2410.h 文件熟悉条件编译的方法, 配置编译 vivi 2 实验设备硬件 :PC 机, 嵌入式系统实验箱软件 :Red Hat 9,ARM-GCC 2.95.2 3 实验原理 3.1 Bootloader 概述 BootLoader