嵌入式系统的Boot Loader技术 陈文智 浙江大学计算机学院 2009年5月.

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1 嵌入式系统的Boot Loader技术 陈文智 浙江大学计算机学院 2009年5月

2 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
实验二 U-BOOT的分析和移植

3 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0x 处

4 Boot Loader所支持的硬件环境 Boot Loader的安装地址 Boot Loader相关的设备和机制
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

5 Boot Loader与主机之间的通信设备及协议
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

6 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
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

7 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

8 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

9 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：

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11 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

12 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
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;

13 3）加载内核映像和根文件系统映像 规划内存占用的布局 从Flash上拷贝 内核映像所占用的内存范围 根文件系统所占用的内存范围
MEM_START + 0X8000 根文件系统所占用的内存范围 MEM_START + 0X 从Flash上拷贝 While循环

14 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

15 例：设置ATAG_CORE的代码如下： 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); 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

16 5）调用内核 CPU寄存器的设置： CPU 模式： Cache和MMU的设置： HOW TO CALL ? 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 ?

17 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

18 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

19 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

20 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 JTAG]# ./Jflash-XSBase255 x-boot255

21 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 Usage Help Description 对各个指令的简单的说明。 Arguments None Example X-HYPER255> Help

22 Usage Reload [kernel/ramdisk] Description 将Flash中纪录的image复制到SDRAM 为了复制 kernel image到 SDRAM， Autoboot时自动执行 Arguments Kernel –将flash的 kernel image复制到 SDRAM 0xa Ramdisk –将flash的 ramdisk复制到 SDRAM 0xa Example X-HYPER255> reload kernel

23 Usage Tftp [file] [loader/kernel/root/ramdisk] Tftp [file] [addr] Description 通过Ethernet将 Host的映像文件下载到SDRAM中 Arguments Loader–将接收到的文件储存到loader的SDRAM 0xa Kernel–将接收到的文件储存到kernel的 SDRAM 0xa Root – 将接收到的文件储存到 0xa Ramdisk – 将接收到的文件储存到 0xA 。 Addr – SDRAM上纪录接收到的文件的地址 Example X-HYPER255> tftp zImage kernel X-HYPER255> tftp zImage 0xa

24 Usage Flash [loader/kernel/root/ramdisk] Flash [dest] [src] [len] Description 将SDRAM上的数据储存到flash的相应地址 Arguments Loader-将SDRAM的loader 0xa 储存到flash的0x0地址 Kernel-将SDRAM的Kernel 0xa 储存到flash的0xc0000 地址 Root-将SDRAM的root 0xa 储存到flash的0x1c0000地址 Ramdisk-将SDRAM的ramdisk 0xA 储存到Flash的0x1c00 00地址 Dest-储存到flash上的地址 Src-原来的数据所在地址 Len-复制的长度 Example XSBASE255> flash kernel XSBASE255> flash 0xc0000 0xa x100000

25 Usage Boot Boot [opt1] [opt2] Boot [addr] [opt1] [opt2] Description 驱动SDRAM上的 kernel 通过相应 arguments 驱动 或者驱动相应地址的kernel。 Arguments Opt1 – kernel option(Only 0) Opt2 – machine type( X-Hyer255 : 200) Addr – kernel image address Example XSBASE255> boot XSBASE255> boot 0 200 XSBASE255> boot 0xa

26 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

27 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

28 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

29 /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

30 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

31 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 arm pxa xsbase

32 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

33 实验二 U-BOOT的分析和移植（6） 通过JTAG口将u-boot.bin烧写到Flash的零地址，复位后执行u-boot
输入help得到所有命令列表